지속 가능한 나트륨 이온 배터리로의 문을 여는 새로운 그래핀 (에너지 용량을 종래보다 약 10배로)

나트륨 전지용 고성능 전극재료를 만들기 위한 신개념이 나왔다.

새로운 타입의 그래핀을 이용해 세계에서 가장 일반적이고 저렴한 금속이온 중 하나인 나트륨을 저장하는 것이다.

이 연구는 스웨덴 차르마스 공과대학을 중심으로 한 연구팀의 것으로 연구결과는 2021년 5월 28일자에 'Science Advances'에 게재되었다.

리튬이온은 에너지 저장에 적합하지만 리튬은 고가의 금속이어서 장기적인 공급 및 환경문제에 대한 우려가 있다.

반면에 나트륨은 풍부하게 존재하는 값싼 금속으로 바닷물이나 부엌에서 쓰는 소금의 주성분이다.

그래서 나트륨이온전지는 중요한 원료의 필요성을 줄일 수 있는 지속가능한 대체물로 주목받고 있다.

그러나 나트륨이온전지에 있는 큰 과제 중 하나는 용량을 늘리는 것이다.

현재 성능으로는 나트륨이온전지가 리튬이온전지에 맞설 수가 없다.

제약 요인 중 하나는 흑연이다.
그래파이트는 적층된 그래핀으로 되어 있으며 현재의 리튬이온전지에서 아노드(양극)로 사용되고 있다.

흑연에는 인터컬레이션 반응으로 이온이 삽입된다.

인터컬레이션은 층상 결정의 층간 틈새로 이질의 원자나 분자, 이온을 삽입하는 반응이다.

즉, 그래파이트에서는 이온이 그래핀의 층을 출입할 수 있어 에너지로서 저장할 수 있다.

그러나 나트륨 이온은 리튬 이온보다 크고 상호 작용이 다르기 때문에 그라파이트 구조 속에 효율적으로 나트륨 이온을 저장할 수 없다.

그래서 연구팀은 그래핀층의 한쪽에 분자의 스페이서를 더한다고 하는 새로운 수법을 생각했다.

그래핀층 한쪽에 분자의 스페이서를 더한 상태에서 층을 쌓으면 분자가 그래핀시트 사이에 큰 공간을 만들어 상호작용점을 가져온다.

이것에 의해 용량이 큰폭으로 증가하게 되었다.

표준 그래파이트에서 나트륨 인터컬레이션 용량은 g당 약 35mAh로 이 값은 리튬이온 인터컬레이션 용량의 10분의 1 미만이다.

반면에 이번에 발표된 새 그래핀을 사용하면 나트륨이온 대비 용량은 g당 332mAh로 리튬이온 값에 근접했다.

또한 완전한 가역성과 높은 사이클 안정성도 확인되었다.

이번 연구에 사용된 재료인 인공 나노구조에서는 각 그래핀 시트 윗면에 스페이서로 나트륨 이온을 위한 활성 상호작용 부위로 작용하는 분자가 존재한다.

적층된 그래핀 시트 2장 사이에 있는 각 분자는 아래쪽 그래핀 시트와 공유결합으로 결합되어 있어 위쪽 그래핀 시트와는 정전 상호작용으로 서로 작용한다.

이 새로운 그래핀은 앞쪽 방향과 뒤쪽 방향의 두 얼굴을 가진 고대 로마의 신 야누스를 본따서 야누스 그래핀 (Janus graphene)으로 불린다.

이번 연구결과는 대용량의 에너지 저장용으로 나트륨 이온에 적합한 질서구조의 그래핀 층을 설계할 수 있다는 것을 보여준다.

이 연구는 아직 초기 단계여서 공업적인 용도로 갈 길이 멀지만 야누스그래핀은 대용량 나트륨 이온전지로의 길을 열어줄 가능성이 있는 것으로 기대되고 있다.

관련원문은 아래 링크를 참고하세요
Janus graphene opens doors to sustainable batteries



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