유원철 교수, 고에너지 밀도 갖는 온라인 토토사이트 신고 기반 리튬이온전지 개발

한양대 화학분자공학과 유원철 교수팀이 고에너지 밀도를 갖는 온라인 토토사이트 신고 기반 리튬이온전지를 개발했다고, 한양대가 18일 밝혔다. 연구팀이 개발한 온라인 토토사이트 신고(이론용량 4200 mAh/g) 음극재는 기존 그래파이트(이론용량, 372 mAh/g) 음극재에 비해 10 배 이상의 이론용량을 가지고 있어 차세대 리튬이온 배터리(이하 LIB)로 주목을 받고 있다.

높은 이론용량을 갖는 온라인 토토사이트 신고 기반 LIB의 경우 높은 부피팽창(약 300%)과 낮은 전기전도도 등의 단점을 가진다. 이를 극복하고자 전 세계의 연구자들은 지난 10여년간 나노 구조체를 사용하려했으나 높은 tap 밀도, 낮은 표면적, 높은 로딩레벨, 높은 면적당 용량 등 실제 산업체에서 사용되기 위해 고려돼야 할 이슈들 때문에 새로운 접근방법의 필요성이 대두됐다.

이러한 단점을 해결하고자 유 교수팀은 주름지고 다중 층으로 이뤄진 그래핀(wrinkled-multilayered-graphene (WMG))을 사용, 마이크론 크기의 온라인 토토사이트 신고을 이용하면서 부피팽창 및 낮은 전도도의 단점을 개선하는 연구를 진행했다.

그래핀은 전도성이 높은 2차원 물질이기 때문에 기계적 성질이 우수하다고 평가받으며 다양한 분야에서 사용이 되고 있다. 하지만 충·방전시 일어나는 실리콘의 높은 부피팽창을 수용하기 위해 더 개선된 물리적인 변형력을 가져야하며, 활물질인 실리콘과 화학적으로 잘 부착해 연속적인 충·방전 사이클에도 성능저하가 피해야했다.

이를 위해서 유 교수팀은 주름지고 다중 층으로 이뤄진 그래핀 산화물 (wrinkled-multilayered-graphene oxide (WMGO))을 통해 그래핀 산화물 수용액의 농도를 조절해 합성했다.

높은 농도의 그래핀 산화물 수용액은 파이-파이 스태킹을 통한 그래핀 산화물 층의 수가(10 nm 미만의 두께) 상대적으로 낮은 농도에 비해서 제한되기에 두꺼운 두께의 그래핀 다중 층 보다 쉽게 주름진 구조를 가지게 됨을 밝혔다.

이렇게 주름지고 얇은 다중 층을 갖는 WMG 의 경우, 그래핀 보다 더욱 개선된 물리적인 변형력을 가지게 된다. 이렇게 합성된 WMGO를 이용해 온라인 토토사이트 신고과 복합체(온라인 토토사이트 신고-WMGO)를 합성했으며 WMGO의 경우, 카르복실릭 산, 페놀릭 산 등 표면에 다양한 산소를 포함한 화학적 기능화 그룹이 존재하기 때문에 온라인 토토사이트 신고 표면에 고유하게 존재하는 실리카와 수소결합을 통해서 접착력이 우수한 온라인 토토사이트 신고-WMGO를 합성 할 수 있었다.

그 결과 연구진은 열적 환원 과정을 거쳐 실리콘-WMG를 합성해 전도성이 우수한 그래핀을 합성 했고, 주름지고 얇은 두께의 다중 층으로 인해 충·방전시 일어나는 실리콘의 높은 부피팽창을 효율적으로 버퍼링 하는 것을 확인했다.

마이크론 실리콘을 이용한 실리콘-WMG의 경우, 낮은 속도의 충·방전 시 아주 높은 초기 면적당 용량값(12.5 mAh/cm2 @0.1 C)을 보였으며, 고속 충·방전 시에도 높은 면적당 용량값(7.1 mAh/cm2 @2 C)을 보였다. 특히 고속 충방전으로 240 사이클을 구동하였음에도 높은 면적당 용량값(5.3 mAh/cm2 @2 C for 240 cycles)을 보여 실리콘-WMG 복합체가 다양한 충방전 조건에서도 안정적으로 작동이 됨을 보고하였다.

유원철 교수는 “이번 연구를 통하여 탄소 중립을 통한 지구 온난화 저감을 위해 필수적인 차세대 에너지저장 물질의 개발에 기여할 수 있을 것”이라고 소감을 전했다.

이번 연구는 엘지화학, 과학기술정보통신부가 시행하는 기초연구사업 (중견연구), 경기도 지역연구센터 (GRRC)에서 지원을 받아 진행됐으며, 연구의 결과 (논문명: High-Areal-Capacity of Micron-Sized Silicon Anodes in Lithium-Ion Batteries by Using Wrinkled-Multilayered-Graphenes)는 에너지저장 관련 세계적인 학술지인 [Energy Storage Materials, IF: 20.831]에 최근 게재됐다.