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지질자원硏,‘차세대 칼륨 및 나트륨 이온 전지용 활성 그래핀 제조 기술’세계 최초 개발
  • 작성자관리자-홍보실
  • 작성일시2020/03/11 08:30
  • 조회수509

지질자원硏,‘차세대 칼륨 및 나트륨 이온 전지용 활성 그래핀 제조 기술’세계 최초 개발


 ▶ 지질자원硏 장희동 박사 연구팀, 그래핀의 결정구조를 활성화시켜 고효율의   안정성을 갖는 칼륨 및 나트륨 이온 전지용 응용기술 세계 최초 개발
   - 에너지저장소재 분야 최고 저널인 Advanced Energy Materials (IF 24.884)에 게재

 ▶ 에어로졸 공정에 의해 제조된 구겨진 종이공 형상의 그래핀 산화물을 부분 환원 및 저온 산화 공정을 통해 활성 그래핀을 최초로 제조한 연구 성과


□ ‘꿈의 나노 물질.꿈의 신소재’라 불리는 그래핀(Graphene)*을 칼륨과 나트륨 이온 전지용 소재로 적용한 응용기술이 세계 최초로 개발됐다.
*탄소 원자가 벌집 모양으로 배열된 얇은 막 형태의 나노 소재. 연필심의 재료인 흑연은 탄소가 층으로 쌓여 있는‘단일층’구조인데 이 흑연의 한 층을‘그래핀(Graphene)’이라 부른다. 그래핀은 전기가 잘 통하고, 열전도성이 높다.


□ 한국지질자원연구원(원장 김복철, KIGAM) 장희동 박사 연구팀과 미국 조지아공대 이승우 교수팀은 에어로졸 공정으로 제조된 구겨진 종이공 모양의 그래핀 산화물을 부분 환원 및 저온 열처리 활성화 과정을 통해 칼륨 및 나트륨 이온 전지용 소재에 적용하는데 성공했다.


□ 현재 널리 활용되고 있는 이차 전지인 리튬 이온 전지의 대체재로 고효율의 높은 안정성을 갖고 있는 칼륨 및 나트륨 이온전지*의 개발이 요구되고 있다. 특히 2차원 구조 나노소재로서 강도, 열전도율, 전기전도도 등에 있어 현존하는 물질 중 가장 뛰어난 소재인 그래핀이 새로운 전극 물질로서 주목 받고 있기에 이번 연구 성과가 의미하는 바가 크다고 할 수 있다.
*칼륨 이온배터리는 전압이 높고 에너지 밀도가 크다. 나트륨이온배터리는 안전하고 가격이 싸며 원료 확보가 용이해 차세대 대용량 배터리의 대체재로 주목받고 있다.


□ 장희동 박사 연구팀은 구조.화학적으로 안정한 구겨진 종이공 형상의 그래핀 결정 구조를 조절.활성화시켜 칼륨 및 나트륨 이온 전지용으로 적용했다. 활성 그래핀을 사용한 이온 전지는 높은 저장 용량, 고속 충방전 및 장시간 안정성 등의 우수한 물성을 나타냈다.
  ○ 특히, 이번 연구의 활성 그래핀은 에어로졸 공정으로 제조된  구겨진 종이공 형상의 그래핀 산화물을 부분 환원 및 저온 열처리를 통해 활성화시킨 것으로 세계 최초로 시도된 것이다.


□ 연구팀은 제조된 활성 그래핀의 전기화학 특성 평가 후 밀도함수 이론 분석을 수행했다. 그 결과 적용된 기술이 칼륨 및 나트륨 이온 전지로 모두 매우 우수한 물성을 나타내고 있음을 확인했다.
  ○ 특히 칼륨 이온 전지는 가역 정전 용량이 340 mAhg-1 이었고, 나트륨은 280 mAhg-1 이었으며 8,000 사이클 이후에도 높은 안정성을 유지했다. 


□ 기존 연구들에서는 칼륨 및 나트륨 이온 전지의 전극 물질로 흑연을 적용한 연구가 수행됐으나 충.방전시 그 속도가 저하돼 장시간 사용 시 효율과 안정성이 낮아지는 문제점이 있었다.  이러한 문제를 해결코자 그래핀을 사용한 연구가 시도됐으나 그래핀 시트 간의 재적층 현상*으로 인해 우수한 물성의 결과물을 얻지 못했다. *2차원 구조의 그래핀들이 서로 붙어 다시 적층(층층이 쌓임)돼 우수한 특성을 잃어버리는 문제점이 발생
  ○ 이러한 점에 착안한 연구팀에서는 재적층이 발생하지 않는 구겨진 종이공 형상의 물성이 좋은 활성 그래핀을 제조해 기존 연구의 한계점을 극복했다.


□ 연구팀은 이번 연구 결과가 차세대 에너지 저장 장치의 전극 소재로서, 칼륨 및 나트륨 이온 전지의 실질적 활용 가치를 증명했다는 점에서 큰 의의를 두고 있다. 더불어 향후 기술 실용화와 상용화가 이뤄질 경우 기존 리튬 이온 저장 장치를 대체 할 수 있는 수십 조 원 이상의 경제적 효과가 창출될 것으로 기대하고 있다.


□ 교신저자인 장희동 박사는 “이번 연구 결과는 활성 그래핀을 활용한 칼륨 및 나트륨 전극 소재가 차세대 이차 전지의 원료 소재로 높은 활용 가능성을 보여주었다는 점에서 가치가 있다”고 말하며, “자원빈국인 우리나라가 차세대 에너지저장장치를 선도할 수 있도록 기술 실용화에 최선을 다하겠다”고 밝혔다.


□ 한국지질자원연구원 김복철 원장은 “이번 연구는 그동안 광물자원 활용분야의 그래핀 복합체 제조기술 연구의 결정체로 향후 에너지저장장치에 바로 적용될 수 있는 우수한 연구성과다”고 강조하며, “이러한 연구 결과를 실용화하고 상용화해 국가와 국민이 유용하게 활용할 수 있는 연구 성과 창출을 위해 모든 연구자가 노력하겠다”고 말했다.


□ 한국지질자원연구원의 이번 연구성과는 에너지 저장소재 분야 세계 최고 저널인 Advanced Energy Materials (IF 24.884)에 실렸으며, KIGAM 장희동 박사팀과 미국 조지아공대 이승우 교수팀과의  공동 연구를 통해 얻어진 결과이다. 


1


(그림 1). 활성화된 구겨진 형상의 그래핀(A-CG) 합성과정 모식도

그림 설명: 그래핀 산화물이 포함된 액정으로부터 에어로졸 공정에 의해 제조된 구겨진 종이공 형상의 그래핀 산화물과 이를 저온 열처리에 의한 부분 환원 및 산화 공정을 통해 활성화 그래핀을 제조하는 공정 개요도를 나타낸 그림.


2


(그림 2). 결정 구조 제어된 그래핀에 흡착되는 알칼리 이온의 흡착 모식도

그림 설명: 부분 환원 및 활성화 공정 통해 결정 구조가 제조된 그래핀의 결정 내부에 알칼리 이온(칼륨, 나트륨)이 이동되는 경로를 나타낸 그림.


※ 참고자료
1. 연구내용 설명 (4-5쪽)
2. 그림설명 (6쪽)
3. 연구자 이력사항 (7쪽)