[신기술 소개] 우수한 배터리 전극으로 사용될 수 있는 흑연 폼

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KIC News, Volume 15, No. 3, 2012

KIC News, Volume 15, No. 3, 2012 59

Figure 2. 백금입자와 grephene의 표면 결합에너지 계산결과(@14.47 eV).

작성 : 김 선 회(상지대학교)

출처 : Michael N. Groves, Cecile Malardier-Jugroot, and Manish Jugroot, “Improving Platinum Catalyst Durability with a Doped Graphene Support”, J. Physical Chemistry C, 2012, in press

우수한 배터리 전극으로 사용될 수 있는 흑연 폼

텍사스 대학교(University of Texas at Austin)의 연구진은 매우 얇은 흑연 폼(graphite foam)이 리튬- 이온 배터리를 위한 새로운 종류의 음극으로 사용될 수 있다는 것을 밝혔다. 가벼우면서 높은 전도성을 가 진 폼은 전기화학적으로 안정적이고, 쉽게 제조되고, 저렴하고, 알루미늄과 니켈 호일과 같은 기존의 음극 물질과 필적할 정도의 성능을 가지고 있다. 초박막 흑연(ultrathin graphite, UGF)은 5 V의 전압에서 LiPF6-organic carbonate와 같은 전해질 속에서 지극히 안정적이다. 또한 매우 가벼운 폼은 알루미늄과 니켈 호일과 같은 기존의 전극 물질보다 더 높은 전압 및 에너지 밀도를 가진다.

텍사스 대학교의 오스틴 캠퍼스(University of Texas at Austin)의 연구진은 용매 속에 분산된 LFP (lithium iron phosphate), 카본 블랙(carbon black), PVDF (polyvinylidene fluoride)의 슬러리를 주조함 으로써 LFP에 UGF를 적재했다. 그 후에 이런 혼합물은 건조되었고 음극은 완전한 배터리를 만들기 위해 서 분리기, 양극, 전해질, 전지 쉘과 조립되었다.

최첨단 리튬-이온 배터리의 단일 전지의 음극은 전자를 전도하기 위한 목적으로 음극과 외부 회로 사이 에 위치한 집전장치(일반적으로 알루미늄 호일-약 20~30 µm 두께) 위에 놓여지고, LFP와 같은 물질로 주로 만들어진다. 높은 전기 전도도에도 불구하고 알루미늄 호일은 평면 구조 때문에 전자를 효율적으로 수집할 수 없는데, 이것은 이 물질을 이용하는 배터리의 출력 밀도를 결국 제한시킨다. 이 문제는 에너지 밀도를 증가시키기 위해서 종종 사용되는 더 두꺼운 음극에서 더 심각하다. 게다가, 알루미늄은 전해질 용 액 속에서 부식된다. 이것은 음극의 느린 자기-방전과 배터리의 노후화를 종종 이끈다.

UGF는 이런 모든 결점을 가지지 않기 때문에 알루미늄 호일의 대체물로 제안된다. 이 흑연 물질은 음극 속에서 전자 전도를 매우 향상시키는 전도성 버팀대의 상호 연결된 네트워크로 구성되어 있어 출력 밀도를

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공업화학 전망, 제15권 제3호, 2012

향상시킨다. UGF의 높은 표면 대 면적 비율이 이것의 질량보다 높기 때문에 훨씬 더 적은 물질로 알루미 늄 호일 음극에서 요구하는 것과 동등한 성능을 가진다. 따라서 에너지 밀도는 향상된다.

전극의 총 질량을 계산함으로써, 연구진은 UGF/LFP 음극의 최대 비용량(specific capacity)이 Al/LFP 음극의 것보다 23% 더 높고 Ni-폼/LFP 음극의 것보다 170% 더 높았다는 것을 발견했다. 흑연은 다양한 전해질에서 매우 안정적이기 때문에, 이 물질을 이용한 배터리는 부식되지 않고 따라서 자기-방전이 발생 하지 않아 고전압에서 작동되는 장치에 매우 유용하게 적용될 수 있을 것이다. 전기 자동차와 전기 하이브 리드 자동차는 높은 출력 밀도와 에너지 밀도를 가진 배터리를 필요로 하는데, 이 UGF는 이런 분야에 유 용하게 적용될 수 있을 것이다.

이 연구결과는 저널 Nano Letters에 “Ultrathin Graphite Foam: A Three-Dimensional Conductive Network”라는 제목으로 게재되었다.

Figure 1. (a) 서로 다른 형상을 가진 UGF의 사

진. (b) UGF의 미세구조를 보여주는 UGF의 SEM 이미지. (c) UGF 내의 부러진 버팀대를 보여주는 SEM 사진. (d) UGF의 TEM 사진.

^{Figure 2.}

(a) 12 mg/cm²의 적재 밀도에서 LFP에 적재된 UGF의 사진. 압축 전의 UGF/LFP 계면의 (b) SEM 이미지와 (c) 고해상 도 TEM 이미지. (d) 10 MPa에서 압축된 후의 UGF/LFP 전극의 SEM 이미지.

작성 : 김 상 범(경기대학교)

출처 : KISTI 미리안 뺷글로벌동향브리핑(GTB)뺸 http://nanotechweb.org/cws/article/tech/49640

빛으로 손상을 회복시킬 수 있는 겔 재료

일본의 산업기술종합연구소 나노시스템연구부문의 스마트머티리얼 연구그룹은 광조사로 손상을 회복할 수 있는 겔 재료(고분자 미립자/액정복합 겔)를 개발하였다. 이번에 개발한 겔 재료는 겔 중에 광응답성 재 료의 광이성화반응에 의한 졸-겔상태의 광제어를 이용하여 미소한 손상이라면 단시간에 회복시킬 수 있 다. 또한, 이 손상회복은 반복가능하며 큰 전단변형에 의해 졸상태로 이전하여도 변형을 제외하면 고속으 로 겔 상태로 회복된다.