| 상하이규산염연구소, 질소첨가 그래핀 고용량저장전극 재료로 활용 | ||
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 최근, 중국과학원 상하이(上海)규산염연구소 황푸창(黃富強) 연구원, 베이징(北京)대학교 린톈취안(林天全) 부연구원은 미국펜실베이니아대학교(University of Pennsylvania) 천이웨이(陳一葦) 교수와 공동으로 정렬성 메조 포러스 저탄소층의 신형 재료를 제조하였다. 이 재료는 그래핀 계열에 속하는 새로운 구조이며, 우수한 3차원 미시적 전기전도 특성을 보유하고 있다. 연구 결과, 질소 첨가 메조 포러스 그래핀은 우수한 전기화학적 에너지 저장 특성을 갖고 있었다. 관련 연구 성과는 “초대용량의 전기화학적 에너지 저장용 질소 첨가 메조 포러스 탄소(Nitrogen-doped mesoporous carbonof extraordinary capacitance for electrochemical energy storage)”라는 제목으로 Science(2015, 350(6267), 1508-1512)에 발표되었다. 슈퍼 커패시터는 중요한 신형 에너지 저장 장치로서 출력 밀도가 높고, 순환 수명이 길며, 안전하고 신뢰도가 높은 등 특성을 갖고 있다. 현재 슈퍼 커패시터는 이미 하이브리드 전기 자동차, 고성능 출력 장치 등에 응용되고 있고, 엄청난 시장 규모를 형성하였으며, 최근 몇 년간 20%의 증가율을 유지하고 있다. 그러나 현재 슈퍼 커패시터는 비용량이 낮은(＜250 F/g) 원인으로 에너지 밀도(상업용 활성탄: 5~7 Wh/Kg)가 낮기 때문에 리튬 전지(＞80 Wh/Kg)보다 못하다. 동족탄소에 속하는 그래핀은 비표면적이 크고, 양호한 전기전도율과 안정한 화학구조 특성을 보유하고 있으므로 이미 연구 분야의 핫이슈로 되고 있으며, 차세대 고성능 슈퍼배터리의 이상적인 전극 재료로 될 전망을 보이고 있다. 연구팀이 합성한 질소 첨가 정렬성 메조 포러스 그래핀은 양호한 전기화학적 에너지 저장 특성을 보유하고 있고, 비용량이 최대로 855 F/g에 달하며, 조립한 대칭적 디바이스는 쾌속 충방전할 수 있으므로 상업용 탄소계 커패시터에 뒤지지 않는다. 연구팀은 질소 첨가로 산화환원반응을 유도하여 재료의 높은 전기전도율을 감소시키지 않는 조건에서 전기화학적 에너지 저장 활성을 증가시켰다. 고비표면적의 특성은 전극의 전기 이중층 커패시터를 증가시킬 수 있으며, 질소 첨가는 산화환원반응을 한층 더 유도하여 슈도 커패시터(pseudo capacitor)의 에너지 저장 활성을 증가시킬 수 있고, 또한 재료의 높은 전기전도율을 감소시키지 않는다. 황푸창 연구팀은 전극 재료의 구조-성능 사이의 관계를 이용하여 연구를 진행하였고, 질소 원자가 그래핀 중에서의 서로 다른 구조 위치점을 디자인하여 전극 재료의 산화원원 전위를 조절하였으며 전극재료의 전기용량을 뚜렷하게 증가시켰다. 피리딘형과 피롤형 질소 원자의 전기화학적 활성은 흑연형 질소 원자보다 높았다. 해당 발견은 전기화학적 활성이 높은 전극 재료의 디자인에 새로운 아이디어를 제공하였다. 전기화학적 과정을 심층연구한 결과, 질소를 첨가한 메조 포러스 그래핀과 산성 전해액 사이에 단일 전자 전이 과정이 발생하였다. 연구팀이 개발한 대칭적 디바이스는 수용액에서 무독성으로 안전하게 작동하였으며, 에너지 밀도가 41 Wh/Kg에 달하였고, 출력 밀도가 26 Kw/Kg에 달하였으며, 성능이 납산, 니켈 수소 등 전지에 비하여 뚜렷한 경쟁 우위를 갖고 있고 쾌속 충방전 면에서도 리튬 전지에 비하여 아주 우수하다. 해당 성과는 중국의 슈퍼 커패시터 산업의 발전을 촉진하고, 업종 경쟁력을 강화하는데 중요한 의미가 있다. 정보출처 : http://www.nsfc.gov.cn/publish/portal0/tab38/info51418.htm |
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