고려대-경남과기대 공동연구팀, 고순도 그래핀 기반의 차세대 리튬이차전지 개발
세계 최초 순수 그래핀의 추가적인 리튬이온 저장원리 규명
나노분야 저명 학술지 ‘ACS NANO’에 실려

▲ 왼쪽부터 김동원 석사과정(공동 제1저자), 주병권 고려대 교수(교신저자), 정현영 경남과기대교수(교신저자)

공과대학 전기전자공학부 주병권 교수팀과 경남과기대 에너지공학과 정현영 교수팀이 기존 탄소전극의 용량과 안정성을 크게 개선할 수 있는 순수한 그래핀 기반의 전극을 개발했다. 세계 최초로 순수 그래핀의 추가적인 리튬이온 저장원리를 밝혔으며, 기존 탄소전극 대비 8배 이상의 성능구현을 구현했다. 이번 연구 성과는 나노분야 최상위급 학술지 ‘ACS NANO'에 1월호로 출판됐다.

 * 그래핀은 탄소 원자가 육각형의 벌집 구조로 배열된 2차원 물질로 그래핀 층이 쌓여 10개 층을 초과하는 경우를 그라파이트(흑연), 10개 층 이하인 경우를 그래핀이라 한다. 최근 높은 전기전도성, 내화학성, 높은 투과성, 우수한 기계적 강도 등을 바탕으로 각광받고 있는 신소재이다.

□ 리튬 이온 이차전지는 휴대용 전원, 전기자동차(EV), 에너지저장시스템(ESS) 등에 사용되며, 배터리의 성능은 양극, 음극, 전해질, 분리막 등 4대 핵심소재의 특성에 의해 결정된다. 전해질과 분리막은 주로 배터리의 수명에 영향을 주며, 양극과 음극의 소재에 의해 배터리의 용량이 결정된다. 즉 폭발적인 용량 향상을 위해서는 새로운 전극 소재 개발 및 에너지저장 원리 분석이 필수적이다.

□ 현재 사용되고 있는 흑연전극은 1개의 리튬이온이 6개의 탄소원자가 이루는 육각형의 벌집구조에 삽입된 LiC6의 형태로 저장되어 이론적인 용량이 372mAh/g으로 제한되어 왔다.

□ 연구진은 순수한 그래핀에서 리튬이온의 LiC6 이상의 용량구현 원리를 분석하기 위해 ‘전기화학적 흑연 박리법’을 통해 제작된 고순도, 대면적의 그래핀 시트를 활용해 그래핀 전극을 개발했다.
   ￮ 그래핀을 합성하기 위해 가장 널리 사용되는 방법은 Hummer's Method로, 강한 산성조건에서 화학적 흑연 박리를 진행한다. 흑연을 산화그래핀의 형태로 박리한 뒤에 고온조건 혹은 환원제 통해 산화그래핀을 환원시켜 그래핀 시트를 합성한다. 
   ￮ 이러한 합성법은 많은 시간이 소요되고 산화 과정에서 형성된 작용기(카르복실기, 락톤기, 페놀기, 락톨기, 파이론기, 키톤기 등)는 그래핀 격자구조를 변화시키며 결함을 증가시켜 이론적인 그래핀의 성능을 충분히 구현하지 못한다는 단점이 있다. 하지만 ‘전기화학적 흑연 박리법’은 친환경적이며 단시간에 결함이 적은 고순도의 그래핀시트의 합성가능하다.   

 * 전기화학적 박리법은 흑연 전극에 전기를 흘려보내 그래핀을 아주 얇은 층으로 벗겨내는 공정이다.

 * 그래핀 합성과정에서 발생하는 유해물질 및 효율적인 산 처리를 위해 개발된 방식으로 현재 대부분의 습식공정을 이용한 그래핀 제조 및 특성관련 연구에 활용된다.   

▲ 그림 1. 충∙방전 이전으로 대부분이 6각을 이루고 적은 부분 SW 결함을 형성(상단),
충∙방전 이후 빈번한 SW 결함 형성, 구조 변화 (중단),
관측된 격자구조 이미지로 왼쪽부터 6각 탄소구조, SW 결함, 선결함, DV 결함 (하단) 등을 만족하는 값

□ 연구진은 그래핀의 표면(surface)과 모서리(edge) 효과로부터 기인한 전기화학적 특성, 사이클 안정성 및 반복되는 충·방전 과정에서 그래핀 표면에 형성된 SW 결함이 추가적인 성능 향상에 기여한다는 것을 입증했다. 
   ￮ 연구진의 실험결과는 이론적으로 계산된 그래핀의 저장 용량에 도달함을 확인했고, 표면 및 모서리 효과로부터 기인한 리튬과 순수 그래핀 사이의 저장 원리를 밝혀 흑연전극 이상을 구현할 수 있음을 확인했다.    
   ￮ 추가적인 용량증가는 고순도 그래핀 전극의 형태학적 특성, SW 결함의 저장, 유연하고 우수한 물리적 특성, 안정적이고 균일한 SEI층 형성 등이 기인함을 밝혔다.
 * 그래핀은 탄소가 이루는 표면, 모서리의 결합 형태에 의해 물성이 변화된다.

 * Stone-Wales(SW) 결함은 기존 6각형의 탄소구조 속에서 5,7각형의 쌍극자 구조를 이루는 결함이다.

 * Solid Electrolyte Interphase(SEI)는 리튬이온과 전해질사이의 반응에 의해 음극 표면에 형성된 막이다.

 ▲ 그림 2. 충∙방전이 진행되며 향상되는 저장특성 및 매커니즘 모식도.

□ 연구진이 이번에 개발한 순수 그래핀 에어로젤 전극을 통해 제작된 리튬 이차전지는 성능과 안정성에서 우수한 결과를 보여준다. 특히, 기존 흑연전극에서 문제가 되었던 수명, 낮은 출력특성에서 향상된 성능을 나타낸다.
   ￮ 순수 그래핀 에어로젤 전극은 4분 만에 충·방전이 가능한 동시에 2,000 사이클 동안 안정적으로 작동했고, 흑연 전극의 이론용량 대비 8배 이상의 용량을 보였다.
   ￮ 이는 전기자동차의 실용화를 위해 가져야할 배터리 수명(초기성능의 80% 이상을 유지하며 1,000 사이클 이상 구동가능), 급속충전(최대용량의 80%를 15분 이내), 자동차의 가속과 등판능력에 필요한 고출력(출력 밀도/에너지 밀도 > 10)의 조건 등을 만족하는 값이다.

□ 연구진은 "이번 연구를 통해 순수 그래핀의 리튬 저장원리를 밝힘으로써 그래핀 상용화를 가속화할 수 있을 것“이라며 “기존 전극의 성능을 압도하는 차세대 전극소재로 그래핀의 가능성을 보여주었으며, 학술적 연구결과가 실용화로 이어지기를 바란다.”고 기대했다.
-논문명 : Understanding Excess Li Storage beyond LiC6 in Reduced Dimensional Scale Graphene
-저널정보 : Dong Won Kim, Sung Mi Jung, Chenrayan Senthil, Sun-Sik Kim, Byeong-Kwon Ju*, and Hyun Young Jung*. "Understanding Excess Li Storage beyond LiC6 in Reduced Dimensional Scale Graphene", ACS NANO, Avaliable online 17 December 2020, ISSN 1936-0851, DOI https://doi.org/10.1021/acsnano.0c07173 

커뮤니케이션팀 서민경(smk920@korea.ac.kr)