| 난카이대학, 사이클로헥산헥손 합성으로 리튬이온 배터리 유기 양극재 용량 세계기록 경신 | ||
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 최근, 난카이(南開)대학 화학학원 천쥔(陳軍) 연구팀은 초고용량 리튬이온 배터리 유기 양극재-사이클로헥산헥손(Cyclohexanehexone)을 설계·합성하여 리튬이온 배터리 유기 양극재 용량의 세계 기록을 경신했다. 해당 연구성과는 "AngewandteChemie International Edition"에 게재됐다. 리튬이온 배터리는 아주 중요한 에너지저장 장치로서 각종 휴대용 전자설비에 광범위하게 응용되고 있으며 또한 전기자동차, 스마트그리드(Smart grid) 및 분산형 에너지저장 등 분야에 대규모적으로 응용될 전망이다. 정보화, 모바일화, 지능화의 신속한 발전과 더불어 고용량, 저원가, 고안정성 배터리개발도 시급하다. 리튬이온 배터리는 용량, 에너지 밀도 등 성능이 양극의 제한을 받는 단점이 존재한다. 또한 기존의 리튬이온 양극재는 코발트 등 금속 원소를 함유하기에 합성공정과 관련한 선광(Mineral dressing), 제련, 회수 등 기술과정에서 자원 부족, 환경오염 등 문제점이 존재한다. 탄소, 수소, 산소 원소를 함유한 유기 전극재는 구조 설계 가능성, 친환경성 및 저원가 등 장점으로 인하여 유망한 차세대 배터리 양극재로 각광받고 있다. 그러나 해당 재료는 실제 용량이 낮고(＜600 mAh/g) 유기 전해액에 쉽게 용해되는 등 단점이 존재하기에 저에너지 밀도, 심각한 용량 감소, 짧은 사이클 수명(Cycle life) 등을 유발한다. 연구팀은 사이클로헥산헥손을 양극재로 선택했다. 해당 재료는 6개 카보닐기로 구성되었고 비전기화학적 활성 구조 유닛이 존재하지 않을 뿐만 아니라 매 하나의 카보닐기는 모두 전기화학적 반응에 참여하기에 사이클로헥산헥손은 여러 유기 카보닐기 양극재에서 이론적 비용량이 가장 높다(957mAh/g). 그러나 사이클로헥산헥손은 쉽게 물과 반응하여 안정한 수화물을 생성하므로 합성이 아주 어렵다. 연구팀은 탈수반응의 새 방법을 개발하여 탈수반응의 온도 및 압력을 정밀 제어함으로써 사이클로헥산헥손 재료를 성공적으로 합성했다. 유기 소분자 재료인 사이클로헥산헥손은 유기 에스테르류 및 에테르류의 리튬이온 전해액에 쉽게 용해되기에 사이클 수명이 비교적 짧다. 해당 문제점을 해결하기 위해 연구팀은 "동종혼합(Like dissolves like)" 원리에 따라 이온성 액체 기반 전해액을 이용하여 일련의 최적화를 수행한 결과, 이온성 액체의 비교적 강한 극성은 사이클로헥산헥손의 용해도를 대폭 감소시킬 수 있음을 발견했다. 해당 방법은 사이클로헥산헥손의 사이클 수명을 효과적으로 향상시킴으로써 사이클로헥산헥손의 실제 응용에 기반을 마련했다. 연구팀이 사이클로헥산헥손 재료가 리튬이온 배터리에서의 충방전 반응 메커니즘 및 전기화학적 성능을 연구한 결과, 사이클로헥산헥손의 방전 비용량은 902mAh/g에 달하였는데 이는 기존에 알려진 유기 전극재 용량의 최대치이다. 사이클로헥산헥손 재료의 에너지밀도는 1,533Wh/kg에 달할 수 있는데 이는 코발트산리튬(약 600Wh/kg) 등 리튬이온 배터리 양극재에 비하여 높을 뿐만 아니라 기타 유기 양극재에 비하여 높다. 탄소, 산소 원소를 고함유한 고에너지밀도 사이클로헥산헥손 재료에 대한 심층적 최적화는 사이클로헥산헥손 재료의 대규모 실제 응용 구현에 유리하며 고용량 유기 전극 재료의 설계, 제조 및 배터리 응용에 새 아이디어를 제공했다. 사이클로헥산헥손을 양극으로 하는 리튬이온 배터리는 높은 배터리 용량, 긴 수명 등 장점을 보유하고 있기에 향후 리튬이온 배터리의 전기자동차, 에너지저장 전력망 등 분야에서 응용에 지원을 제공할 전망이다. 정보출처 : http://news.sciencenet.cn/htmlnews/2019/5/426514.shtm |
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