| 건축용 "철근콘크리트" 구조와 유사한 배터리 개발 | ||
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 최근, 중국과학원 칭다오(青島)바이오에너지·과정연구소 첨단에너지저장재료·기술연구팀은 리그닌 섬유를 리튬-황 전지 양극재료의 골조로 하고 탄소나노튜브, 그래핀을 결합하여 "철근콘크리트" 구조와 유사한 리튬-황 양극 재료를 구축하였다. 해당 양극 재료는 비교적 강한 유연성을 보유하고 있기에 임의적으로 접히고 굽힐 수 있다. 전기자동차의 보급과 더불어 전기자동차에 대한 편견도 늘어나고 있다. 그 주요 원인은 현 단계에 상업용 리튬이온전지의 낮은 에너지 밀도로 인하여 전기자동차의 순항 거리가 짧기 때문이다. 이는 신에너지 자동차 개발을 제한하는 주요 문제이다. 리튬-황 전지는 단량체 황을 양극으로 하고 금속 리튬을 음극으로 하는 새로운 전지로서 이론 용량이 리튬이온전지의 5배 이상에 달한다. 황 원재료는 내원이 풍부하고 가격이 저렴하며 저독성 무공해이기에 리튬-황 전지는 가장 큰 잠재력을 보유한 차세대 고에너지 전지로 각광받고 있다. 그러나 충방전 과정에서 생성되는 폴리황화물은 전해액에 용해됨과 아울러 전해액을 통하여 음극으로 이동하여 음극과 반응하는 셔틀 효과(Shuttle effect)가 발생한다. 해당 현상으로 인하여 리튬-황 전지는 충방전 과정에서 외부 방전을 초래하며 따라서 내부 "전기소모"도 동시에 발생하기에 리튬-황 전지의 수명이 리튬이온전지에 비하여 짧다. 리그닌은 세계에서 2번째로 풍부한 천연유기물로서 식물의 목질부(식물 상부에 물과 광물질 수송을 담당하는 조직)에 광범위하게 존재한다. 리그닌 섬유는 천연 목재에 대한 물리화학적 처리를 통하여 획득한 리그닌을 함유한 유기섬유이다. 리그닌 섬유는 뛰어난 화학적 안정성을 보유하고 있을 뿐만 아니라 무독성, 무공해, 무오염 섬유로서 순수한 친환경 제품이며 다양한 재료에서 안정적인 항균열제로 사용된다. 리그닌 분자 내부에는 대량의 하이드록시기(-OH))가 함유되어 있기에 리튬-황 전지 양극 중간 생성물의 Li+와 수소결합(-HO…H)과 유사한 리튬결합 상호작용(-HO…Li)을 생성한다. 해당 상호작용으로 리그닌 섬유는 전해액에 유리되어 있는 황화물을 아주 잘 포획할 수 있으며 황화물을 양극에서 벗어나지 못하게 한다. 그러므로 리그닌 섬유를 양극구조의 "철근"으로 대체하면 양극의 구조를 안정시킬 수 있을 뿐만 아니라 양극 반응에서 생성된 황화물을 효과적으로 흡착할 수 있다. 연구팀은 전자가 더욱 신속하게 리튬-황 전지의 양극에 전달되게 하기 위해 해당 유연성 전극 밑부분에 1층의 그래핀 박막을 증가시켜 리튬-황 전지의 쾌속 충방전 목적을 구현하였다. 연구팀은 상기 아이디어를 기반으로 고성능 리튬-황 전지를 제조하였는데 해당 방전 용량은 리튬-황 전지의 이론 용량에 접근한다. 또한 뛰어난 순환 안전성을 보유하고 있는바 500라운드 순환 후에도 86.5%의 용량을 유지하였다. 9.2 mg/cm2의 높은 황담지량 조건(더욱 높은 황 담지량은 높은 에너지 밀도를 의미)에서도 해당 유연성 전극은 이중층 중첩 방식을 통하여 리튬-황 전지로 하여금 지속적으로 뛰어난 순환 안정성을 유지하게 한다. 해당 방법은 간단하고 조작이 쉬우며 제조 원가가 낮은 등 많은 장점을 보유하고 있기에 대규모 보급에 아주 적합하다. 본 연구는 리튬-황 전지의 황 이용률 및 순환 수명 향상에 새로운 아이디어를 제공하였다. 정보출처 : https://mp.weixin.qq.com/s/AWYSQP28N1CJssVoPjZ-_w |
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