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2022 Our research was highlighted in news!

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작성자 최고관리자 댓글 0건 조회 9,417회 작성일 22-04-26 16:55

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유승호 교수팀, ‘차세대 칼륨(포타슘) 이온전지’ 개발

계단식 구조로 정렬된 그래핀 나노리본을 통한 차세대 포타슘 전지 성능향상

서울대-서강대 연구팀과의 공동연구로 고성능 포타슘 이온전지 개발

국제 학술지 Energy Storage Materials에 소개돼

□ 고려대학교 (총장 정진택) 화공생명공학과 유승호 교수 연구팀 (제1저자: 김애화 박사)이 서울대학교 박원철 교수팀 (제1저자: 최주형 박사), 서강대학교 백서인 교수팀 (제1저자: 정현동 석사과정)과의 공동연구를 통해 질소, 황이 도핑된 계단식 그래핀 나노리본을 합성하고 산화환원반응 간 이동장벽을 극복하여 포타슘 전지의 전기화학 성능을 크게 향상시켰다.

□ 연구 성과는 국제 저명 학술지 ‘에너지 스토리지 머터리얼즈 (Energy Storage Materials)’ (IF=17.789)에 3월 26일 게재됐다.

□ 현재 상용화되어 있는 리튬이온전지는 증가하는 리튬 수요와 함께 제조 단가가 높아지고 있으며, 이에 따라 리튬을 대체할 차세대 대용량 전지 개발이 요구되고 있다. 그 중 포타슘은 가격이 싸고 매장량이 풍부하며, 리튬 이온의 고유전위 (-3.04 V)에 근접한 표준전극 전위(-2.93 V)를 가짐으로서 리튬이온전지 못지않은 에너지를 저장할 수 있다. 이러한 포타슘 전지의 음극재로써, 탄소기반 나노 물질은 화학적 안정성과 가벼운 무게를 가지고 있어 각광받고 있다. 그러나 포타슘 이온의 전기화학 삽입/탈리 간의 높은 에너지 장벽은 탄소의 표면에서만 포타슘 이온이 저장되는 흡/탈착 반응을 야기하며, 결과적으로 완전지의 조립 시 낮은 에너지밀도를 갖게 된다. 따라서 포타슘 전지에서 높은 성능을 위해서 포타슘의 원활한 삽입/탈리는 매우 중요하다.

□ 기존의 질소, 황이 도핑된 그래핀 구조는 전기화학 성능을 크게 향상시켰지만 무질서한 그래핀의 배열로 인해 높은 충전 속도에서 그래핀 표면에만 전하가 저장되는 단점이 있었다. 본 연구에서는 탄소나노튜브 지지체에 연결된 계단 형태의 그래핀 나노리본 정렬 구조를 합성하고, 이를 통해 충/방전 반응간의 포타슘 이온의 높은 에너지 장벽을 극복하여 고성능의 안정적인 포타슘 전지의 성능을 구현하였다.

□ 유승호 교수팀은 다양한 전기화학 분석을 이용하여 질소, 황이 공동으로 도핑된 그래핀 나노리본 구조의 향상된 전기화학 특성을 확인하였으며, 우수한 포타슘 전지 시스템을 구축하여 높은 성능의 이차전지 성능을 구현하였다. 본 연구에서는 고속 충전에서도 여전히 낮은 구동전압을 유지하며, 500회 이상의 충/방전 과정에서 안정적인 구동을 검증하였다. 또한 밀도범함수이론 (DFT) 계산을 이용하여 그래핀 나노리본의 계단식 구조에 따른 포타슘 이온의 이동장벽과 질소, 황 도핑에 따른 이동장벽을 계산하고 높은 전기화학 성능 구현에 대한 근거를 이론적으로 뒷받침하였으며, 탄소 음극재의 이와 같은 특성을 활용한 우수한 포타슘 전지 개발 가능성을 검증하였다.

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