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I T / 전자전기

번호 : 1359 작성자 : master  쪽지보내기 작성일 : 2012-06-12 조회수 : 1737
제목 :

그래핀 위에 초박막 형태의 SnS2 나노 입자를 형성하고 리튬이온배터리를 개발

리튬이온저장 시스템은 하이브리드 전기 자동차에 적용되어 상용화되기 위해서 높은 전력과 에너지 밀도를 필요로 한다. 현재 탄소 기반 물질은 낮은 리튬이온 저장 용량 (372 mAh/g) 예측에도 불구하고, 뛰어난 물리적, 전기화학적 특성 덕분에 리튬이온배터리(LIBs; Li-Ion Batteries) 양극 물질로 연구되고 있다.

일본 Tohoku University 소속 Itaru Honma 교수가 이끄는 연구진은 그래핀 위에 초박막 형태의 SnS2 나노 입자를 형성하고 리튬이온배터리를 개발했다. 연구 결과는 2012년 5월 21일자 Journal of Physical Chemistry C지에 “Ultrathin SnS2 Nanoparticles on Graphene Nanosheets: Synthesis, Characterization, and Li-Ion Storage Applications”란 제목으로 게재됐다.

최근 고용량 리튬이온배터리 개발을 위해 다양한 물질들이 연구되고 있다. Sn, SnO2, SnS2와 같은 주석 화합물 및 실리콘 나노구조의 경우 높은 gravimetric capacity, 저비용, 그리고 친환경 특성을 바탕으로 양극재로써 잠재력이 높은 것으로 평가된다. 하지만 반복적인 충전-방전 과정 동안에 부피의 변화가 크기 때문에 전극이 급속하게 파괴되고 용량이 크게 저하된다. 입자의 크기를 줄이면 면적대부피비, 표면적, 전자 수송 능력을 향상시키고 변형력을 줄일 수 있기 때문에 위 문제들을 해결할 수 있는 것으로 기대된다.

음으로 하전된 그래핀 나노박막(GNS; Graphene NanoSheet)과 양으로 하전된 금속은 강한 전기적 결합을 바탕으로 복합체 형성이 가능하다. 연구진은 산화 그래핀(GO; Graphene Oxide)을 이용해 그림 2.와 같이 SnS2/GNS 나노복합체를 형성하고, 각각 용액 및 가스를 이용해 환원시킴으로써 SnS2/GNS-RS, SnS2/GNS-RG를 제작했다. 전자의 경우 하이드라진 용액 속에서(90 도), 그리고 후자의 경우 H2-Ar 가스 환경 속에서 400도의 온도에서 환원이 이루어졌다.

그림 1.은 각각 SnS2/GNS, SnS2/GNS-RS, 그리고 SnS2/GNS-RG 나노 복합체에 대한 XRD 패턴을 보여주고 있다. SnS2/GNS-RS 및 SnS2/GNS-RG의 경우 육각형의 결정 구조를 나타냈고, SnO2 및 불순물을 의미하는 신호가 약간 나타났다. 주사전자현미경 이미지 확인 결과 5 nm 이하의 SnS2 입자가 그래핀 표면에 고르게 형성됐음을 알 수 있다.

GNS의 경우 540 mAh/g의 이론적 충전 용량을 갖는 것으로 알려져 있다. SnS2/GNS, SnS2/GNS-RS, 그리고 SnS2/GNS-RG 의 경우 각각 591, 584, 그리고 617 mAh/g의 용량을 갖을 것으로 예측된다. 그림 3 (c)는 50회의 반복 과정 속에서 577 mAh/g의 용량 및 98%의 쿨롱 효율을 기록함에 따라 예측값과 유사하게 나타났음을 알 수 있다.

연구진은 결정성의 SnS2 나노입자를 그래핀 표면에 균일하게 형성하는데 성공했으며, 리튬이온배터리의 양극물질로 적용함으로써 반복적인 충전-방전 과정 속에서 안정적인 동작 및 예상치 보다 높은 충전 용량을 기록하는데 성공했다.


출처: pubs.acs.org
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