고에너지 전지를 위한 MoS2 나노시트와 탄소 나노섬유의 조합

수송 및 전력망을 포함한 대규모 에너지저장을 위한 용도로 사용범위가 확대되고 있는 층간 리튬 삽입 전극(layered Li-intercalation electrode) 물질을 기반으로 하는 전통적인 리튬-이온 전지는, 본질적으로 전극의 낮은 이론용량을 가지고 있으며 에너지 수요에 대응할 수 없다는 약점이 있다. 하지만 독특한 리튬 저장 메커니즘(예, conversion storage 및 interfacial storage)을 기반으로 하는 나노구조의 anode 물질은, 용량 측면에서 차세대 고에너지 리튬-이온 전지를 구축하는데 유망하다. 그러나, 전극에서의 느린 반응속도와 사이클링에 따른 구조 안정성이 부족은 여전히 실용화를 어렵게 하고 있다.

이 문제를 해결하기 위해 Shu-Hong Yu 및 허페이 국립미세규모물리과학연구소(Hefei National Laboratory for Physical Sciences at the Microscale, HFNL), 중국과학기술대학(University of Science and Technology of China)의 연구팀은, 최근 고에너지 용도로 사용할 수 있는 역학적으로 안정적인 anode 물질을 구축하는 방법을 개발하였다. 연구팀은 연구를 위해 2가지 물질을 신중히 선택하였는데, 그 중 하나는 dichalcogenide anode 물질로 다수의 리튬 이온을 수용할 수 있는 MoS2(molybdenum disulfide)로, TiO2 혹은 TiS2와 같은 삽입형 anode보다 훨씬 더 높은 이론용량을 가능하게 한다. 다른 한 물질은 다공성 탄소(porous carbon)로, 계층적인 다공성 구조와 넓은 비표면적으로 인해 리튬-이온 전지에 활용할 수 있는 anode로서 역시 강력한 후보 물질이다. 다공성 탄소는 독특한 계면 및/혹은 나노포어 리튬 저장 프로세스를 가능하게 하며 흑연에 비해 비용량이 몇 배는 더 크다. 두 가지 물질 모두 고에너지 리튬-이온 전지를 구축하는데 유망하지만, 이 물질들에도 단점이 존재한다. MoS2는 S-Mo-S 형태로 밀집된 적층형 구조로 >1.1V에서 안정적인 리튬 삽입을 가능하게 하지만, Li+/Li는 Mo 및 Li2S로 전환을 위해서는 추가적인 리튬을 필요로 한다.

Li2S의 저조한 재현성(cyclability)과 낮은 전도도로 인해, MoS2의 용량은 사이클이 진행됨에 따라 빠르게 소실된다. 게다가, 충전/방전 동안 상당한 부피변화가 발생하기 때문에, MoS2 anode는 분말화(pulverization) 현상을 통해 사이클링 성능을 떨어뜨린다. 반면 다공성 나노탄소 물질은 전해질과의 과도한 계면을 제공하여 상당한 부작용을 일으킴으로써, 저조한 재현성과 낮은 쿨롱 효율(Coulombic efficiency)을 나타낸다. 이 두 가지 물질을 조합하여 각각의 결함을 극복하여 시너지 효과를 발휘할 수 있도록 하기 위해, 연구팀은 새로운 나노복합재료를 합성하였다. 이 나노복합재료는 수열(hydrothermal) 합성법을 사용해 MoS2 시트에 탄소 나노섬유를 조합(CNFs@MoS2)하였는데, 저렴하고 바이오매스에서 얻은 탄소질의 나노섬유를 지지체로 사용하였다.

이 두 가지 활성성분의 조합을 통해 단일 성분이 제공할 수 있는 것보다 훨씬 향상된 전기화학적 성능을 보여줌으로써 긍정적인 시너지 효과를 확인할 수 있었다. 게다가 리튬 지정에 대한 새로운 전기화학 특성을 보여주었는데, Mo(혹은 MoS2)에서 MoS3으로 영구적인 전환을 가능하게 하여 용량과 반복된 충전 과정 속에서도 재현성을 향상시켰다. 그 결과 사이클에 따른 복합재료의 용량이 점진적으로 증가하는 것으로 나타났다.

CNFs@MoS2 나노섬유는 비용량(초기 방전 시 1489 mA·h/g), 사이클 성능(50사이클 후에 1264 mA·h/g) 및 속도 성능(5A/g에서 860 mA·h/g) 측면에서 뛰어난 리튬 저장능력을 보여줌으로써, 고에너지 리튬-이온 전지용 anode 재료로서의 가능성을 높여주었다. 게다가 고에너지 전지에서 삽입 물질을 필요로 하지 않는 높은 용량 특성은, 이전의 삽입형 물질을 사용하는 연구들에 비해 광범위한 중요성을 가질 것이라고 연구팀은 평가하였다. 이런 현상이 나타나는 원인은 아직 분석 중이며, 산업체 및 경제의 지속가능성 측면에서 유익한 결과가 기대된다. 본 연구결과는 Angew. Chem. 국제판에 게재되었다.

출처 KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』

※ 출처 : EngNews (산업포탈 여기에) - 고에너지 전지를 위한 MoS2 나노시트와 탄소 나노섬유의 조합