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공업화학 전망, 제21권 제2호, 2018
NIMS, 이차전지의 고용량⋅장수명화를 실현하는 산화물/그래핀 복합재료를 개발
일본 물질⋅재료연구기구(NIMS)는 산화망간 나노시트와 그래핀을 분자 수준에서 교차로 포개어진 재료 를 합성하고 리튬과 나트륨이온 이차전지의 음극 재료로 사용함으로써, 기존의 2배 이상 높은 충방전 용량 과 장수명화를 실현하는데 성공했다. 고용량이지만 부서지기 쉬운 산화망간을 그래핀에 끼움으로써 산화 망간의 형태가 유지되어 장수명화를 실현했다. 이차전지의 고용량화와 장수명화 모두를 실현하는 음극 재 료로서 응용이 기대된다.
연구진은 용액에 분산시킨 산화망간 나노시트와 그래핀을 섞어 한 층씩 번갈아 적층시킨 ‘밀푀유 구조’
의 복합 재료를 합성했다(Figure 참조). 산화망간과 그래핀은 모두 음으로 대전되어 있어 일반적으로 서로 반발하지만 연구진이 2015년 개발한 기술을 사용하여 그래핀을 화학적으로 개질하여 양으로 대전시킴으 로써, 용액을 혼합하는 것만으로 교대로 적층시키는데 성공했다. 이 재료를 리튬이온 전지의 음극으로 사 용한 결과, 음극 용량이 기존의 2배 이상(0.1 A/g의 전류 밀도로 1,325 mAh/g)이며, 5,000번 충방전을 반 복해도 1회당 용량 감소는 불과 0.004%이었다. 이것은 지금까지 보고된 금속산화물계 음극 재료 중 가장 높은 용량 및 주기를 갖는다. 그래핀에 끼움으로써 충방전으로 인해 부서지기 쉬운 산화망간의 구조가 유 지되는 동시에 전극재료 전체의 전도성이 개선되었다.
두 종류의 물질을 분자 수준에서 복합화함으로써 단일 재료에서는 실현이 어려운 고급 특성을 이끌어 냈 다. 본 성과는 이차 전지 외에도 수퍼커패시터 및 전극 촉매 등 많은 에너지 저장 및 변환 시스템에서 대폭 적인 성능 향상을 가져올 것으로 기대된다.
본 연구 성과는 2018년 1월 22일 미국 화학회지 ACS Nano 온라인 판에 게재되었다(※발표논문참조).
※발표논문 : Pan Xiong, Renzhi Ma, Nobuyuki Sakai and Takayoshi Sasaki, “Genuine Unilamellar Metal Oxide Nanosheets Confined in a Superlattice-like Structure for Superior Energy Storage”, ACS Nano, 22 January 2018
DOI: 10.1021/acsnano.7b08522
Figure. 산화망간 나노시트(빨간색⋅파란색)와 그래핀(녹색) 복합 재료 구조의 모식도.
