| 리튬이온전지보다 안전하고 값싼 고전압 고에너지밀도의 수성 2차전지 개발 | ||
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  난징(南京)공업대학교 Wu Yu-ping(吳宇平)/Fu Li-jun(付麗君) 연구팀은 염기성/중성 혼합수용액 전해액 시스템을 설계함과 아울러 고전압 고에너지밀도의 혼합수용액 전해액 2차전지를 개발하였다. 해당 성과는 "Advanced Energy Materials"에 게재되었다. 수성 2차전지란 수용액을 전해액으로 하는 2차전지를 말한다. 수용액의 이론 분해전압은 1.23V지만 실제 전지에서 과전위 존재로 인해 분해전압은 1.5-2V에 달한다. 하지만 2V를 초과하기 어렵다. 전지의 에너지밀도는 전압과 정비례한다. 즉 전압이 높을수록 에너지밀도도 높다. 전해액의 전압창(voltage window)은 전지의 도달할 수 있는 최대전압을 결정한다. 따라서 수성 2차전지의 전압을 향상시키려면 우선 수용액 전해액의 안정적 전압창을 높여야 한다. 연구팀은 염기성 용액과 중성 용액을 혼합시킨 전해액을 설계해 전해액의 안정적 전압창을 3V까지 높였다. 수용액 전해액 시스템에서 중성 전해액의 수소발생 전위는 염기성 전해액보다 높고 수소발생 전위가 산성 용액보다 낮지만 그 전압창은 세 가지 용액 가운데서 가장 넓다. 이외에 염기성 용액과 중성 용액의 조합은 비교적 쉬울 뿐만 아니라 안정적 전압창도 대폭 확장시킬 수 있다. 상기 작업에서 연구팀은 양이온 교환막을 격막으로 사용하였다. 양이온 교환막은 양이온을 전달하고 음이온을 차단하는 역할을 할 수 있기에 전해액의 안정적 pH값을 유지시킨다. 이외, 혼합 전해액 시스템에서 양이온과 음이온이 양극·음극 전해액에 안정적으로 존재하므로 동 전해액 시스템의 안정성을 담보한다. 전해액이 안정적이어야만 전해액 전압창도 안정되고 또한 전지시스템의 가역성 및 안정성도 유지 가능하다. 전해액의 안정적 전압창을 해결한 다음 연구팀은 다음 단계에서 적합한 양극·음극 재료를 선별하여 고전압 고에너지밀도의 수성 2차전지 구축하였다. 아연은 염기성 용액에서 상대적 음전위(표준 수소전극 대비 전위 -1.216V)와 비교적 높은 비용량(specific capacity)을 보유한 음극재료이고, 망간산리튬은 중성 전해액에서 비교적 높은 산화환원전위/비용량을 보유한 양극재료이다. 연구팀은 해당 두 종의 재료를 결합해 비교적 높은 전압의 수성 2차전지를 구축하였다. 연구팀은 해당 혼합수용액 전해액 개념에 기반하여 일련의 수용액 전지 및 수용액 커패시터를 개발하였다. 해당 연구는 "Journal of Electrochemistry", "Chemical Newsletter", "Journal of Materials Chemistry A", "Advanced Science" 등에 각각 게재되었다. 정보출처 : https://tech.gmw.cn/2020-11/26/content_34402699.htm |
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