고려대 유승호 교수 연구팀, '차세대 칼륨 이온전지' 개발

[서울=뉴시스]유승호 교수. 사진 고려대 *재판매 및 DB 금지

[서울=뉴시스]박선민 인턴 기자 = 고려대학교(총장 정진택) 화공생명공학과 유승호 교수 연구팀이 서울대 박원철 교수팀, 서강대 백서인 교수팀과의 공동연구를 통해 질소·황이 도핑된 계단식 그래핀 나노리본을 합성하고 산화환원반응 간 이동장벽을 극복하여 포타슘 전지의 전기화학 성능을 크게 향상시켰다고 4일 밝혔다.

연구 성과는 국제 저명 학술지 '에너지 스토리지 머터리얼즈(Energy Storage Materials)' (IF=17.789)에 지난 26일 게재됐다.

기존의 질소, 황이 도핑된 그래핀 구조는 전기화학 성능을 크게 향상시켰지만 무질서한 그래핀의 배열로 인해 높은 충전 속도에서 그래핀 표면에만 전하가 저장되는 단점이 있었다.

이번 연구에서는 탄소나노튜브 지지체에 연결된 계단 형태의 그래핀 나노리본 정렬 구조를 합성하고, 이를 통해 충·방전 반응 간의 포타슘 이온의 높은 에너지 장벽을 극복하여 고성능의 안정적인 포타슘 전지의 성능을 구현했다.

유승호 교수 연구팀은 "다양한 전기화학 분석을 이용하여 질소·황이 공동으로 도핑된 그래핀 나노리본 구조의 향상된 전기화학 특성을 확인했으며, 우수한 포타슘 전지 시스템을 구축하여 높은 성능의 이차전지 성능을 구현했다"고 전했다.

이번 연구에서는 고속 충전에서도 여전히 낮은 구동전압을 유지하며, 500회 이상의 충·방전 과정에서 안정적인 구동을 검증했다. 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 뒷받침했으며, 탄소 음극재의 이와 같은 특성을 활용한 우수한 포타슘 전지 개발 가능성을 검증했다.

유승호 고려대 교수는 "이번 연구는 구조가 제어되고 외부원소가 도핑된 그래핀 재료가 차세대 포타슘 이온전지 음극재로 활용될 수 있다는 가능성을 보여주었고, 앞으로 다양한 원소를 도핑하고 적합한 구조를 갖는 탄소 재료를 개발하는 것이 포타슘 이온전지를 비롯한 차세대 전지의 성능을 높이는 데 큰 기여를 할 것으로 기대한다"고 연구 의의를 밝혔다.

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