재충전 배터리용 그래핀

서론

에너지 변환 및 저장 분야의 첨단 기술은 소비자 및 전자 기기 성능 향상과 에너지 생산이 사회 및 환경에 미치는 영향 감소 가능성으로 인해 널리 주목받고 있습니다. 재충전식 배터리는 이미 휴대용 전자기기부터 자동차 시스템에 이르기까지 다양한 응용 분야에 전원을 공급하고 있습니다.¹ 그러나 이러한 응용 분야는 여전히 불충분한 출력 및 에너지 밀도, 제한된 수명, 느린 재충전 속도, 높은 비용, 배터리 형태 및 물리적 유연성의 한계 등 배터리 성능 제약으로 인해 제약을 받고 있습니다. 이러한 과제를 해결하기 위해서는 양극과 음극을 위한 새로운 소재가 필요할 것이다. 리튬 이온 배터리(LIB)가 현재 시장을 주도하고 있으며,² 대부분의 상용 LIB는 알루미늄 기판 위에 LiCoO₂ 양극과 구리 위에 흑연 음극으로 구성된다. 이러한 구성은 이론상 387 Wh kg^–1의 비에너지 밀도와 120–150 Wh kg–¹의 측정된 에너지 밀도를 제공합니다^.3 이는 납산(약 30 Wh kg^–1)⁴ 및 니켈 수소(45–68 Wh kg^-1)와 같은 다른 배터리 유형이 달성할 수 있는 것보다 훨씬 높은 수치입니다.¹ 배터리에서 확인되었지만 아직 상용화되지 않은 다른 유망한 산화물 호스트 구조로는 층상 Li_1–xMO₂ (M = Ni, Mn, Co),⁵ 스피넬 LiMn₂O^4,6 및 정렬된 올리빈 Li_1-xMPO₄ (M = Fe, Mn, Ni)가 있습니다.⁷

그래핀 및 여러 관련 2차원(2D) 결정은 단독 소재로⁸^,⁹ 사용되거나 다른 물질과 결합하여 기능성 복합체를 형성할 ^{때¹⁰,¹¹} 리튬 이온 배터리(LIB)의 성능을 향상시키고 사이클 안정성을 개선할 수 있다. 그래핀 외에도 최근 여러 2차원 결정들이 연구되고 있는데, 여기에는 전이금속 이칼코겐화물(TMDs),¹² 전이금속 산화물(TMOs),¹³ 층상 이중 수산화물(LDHs),^14,15 및 MXenes¹⁶이 포함^된다. 이러한 신소재 중 그래핀-실리콘 나노입자(NP) 복합체는 상당한 가능성을 보여주고 있으며 많은 관심을 받고 있다.¹⁷ 제어된 방전 동안 사용 가능한 총 암페어시(mAh g^–1)로 측정된 실리콘의 이론적 가역적 비용량은 4,000 mAh g^–1에 달하며,¹⁸ 이는 잠재적 음극 재료 중 가장 높은 값 중 하나입니다. 그러나 실리콘 및 나노 구조 실리콘 기반 양극은 또한 충전/방전 사이클 동안 부피 수축 및 팽창으로 인해 재료 열화 및 상당한 용량 감소를 겪습니다.¹⁹ 이 문제는 그래핀을 사용하여 그래핀이 잘 분산된 입자를 고정하고 그들 사이에 전도성 매트릭스를 형성하는 하이브리드 양극을 제작함으로써 제한될 수 있습니다. 

그래핀 및 기타 2차원 결정체²⁰의 잠재력은 기존 리튬 이온 배터리에만 국한되지 않습니다. 황, 주석, 나트륨, 아연 기반 배터리 역시 비용 측면에서 2차원 결정체를 도입함으로써 혜택을 얻을 수 있으며, 이는 해당 기술들이 리튬 이온 기술과 경쟁할 수 있는 가능성을 열어줍니다.²¹ 그래핀 및 기타 2차원 결정체는 리튬-공기 배터리의 전기화학적 성능 향상에도 활용될 수 있습니다.^22,23 예를 들어, 다공성 환원 그래핀 산화물(RGO)을 도입하면 해당 전극에서 달성된 최고 안정성을 보이며, 이는 RGO 기술의 매우 유망한 초기 활용 사례이다.¹⁹ 그러나 재현성과 확장성을 평가하기 위해서는 추가 연구가 필요하다.^19,21

그래핀 및 기타 2차원 결정의 역할은 배터리의 가역적 비용량 또는 비에너지 밀도 향상에만 국한되지 않는다.¹⁰ 실제로 그래핀은 양극과 음극 모두에서 금속 지지체를 대체하는 전도성 필름을 형성하는 데 사용될 수 있어 전체 배터리 무게를 줄일 수 있다. 따라서 그래핀 및 기타 2차원 결정의 활용은 장기적으로 웨어러블 전자기기,²⁴ 스마트 조직,²⁵ 이식형 보철 장치와 같은 생체 의학 응용 분야에 막대한 잠재력을 지닌 유연하고 투명한 배터리 개발을 가능하게 할 수 있다.¹¹

현재 연구의 상당 부분은 비가역적 과정을 제한하기 위해 그래핀, 기타 2차원 결정 및 그 복합체의 전하 저장 메커니즘에 대한 명확한 이해를 개발하는 데 초점을 맞추고 있다.^16,21 이후, 이러한 2차원 재료의 상업적 응용 가능성은 탁월하고 일관된 형태, 전기적 특성, 순도 및 비용과 연결될 것이다.²⁶ 향후 몇 년간 상용화 가능한 제품을 개발하기 위해 효과적으로 확대 적용할 수 있는 최적의 실험실 규모 솔루션을 결정하는 것이 중요할 것이다.

머크는 차세대 배터리 개발에 사용되는 그래핀 및 기타 2차원 결정의 최신 기술 현황에 대한 포괄적인 검토를 제시하며, 향후 방향을 파악하기 위해 탐구해야 할 주요 쟁점을 개괄한다. 또한 2차원 결정 기반 기술의 다용도성이 휴대용 및 유연한 장치를 위한 새로운 전력 관리 솔루션 개발을 어떻게 촉진할 수 있는지에 대해서도 논의한다.

기능성 전극 제조를 위한 2차원 결정 생산

에너지 저장 장치, 특히 배터리 개발에 있어 가장 중요한 재료 요구 사항 중 하나는 높은 비표면적 (SSA)²⁷과 높은 전기 전도도(σ)^28을 동시에 확보하는 것이며, 이는 대량 생산 가능성과도 연관됩니다.²⁶ 이러한 요건을 충족하는 2차원 결정은 상향식⁽bottom-up^)29,30 및 하향식⁽top-down^)11,13,26 기법을 통해 생산될 수 있어 재생 에너지 기술에 상호 보완적인 기회를 제공합니다. 여기서는 저렴하고 확장성이 뛰어난 생산 전략인 액상 박리(LPE)에 대해 간략히 집중하여, 배터리 및 기타 에너지 장치에 적합함을 설명한다.

액상 박리

층상 결정(그림 1A)의 용액 내 직접 박리20은 저비용, 확장성 및 기능화 가능성으로 인해 에너지 응용 분야에 선호되는 생산 경로로 간주됩니다. 층상 결정의 박리는 일반적으로 초음파 처리(그림 1B)^{8,13,20,26,31–33} 계면활성제/폴리머의 도움으로 물에서,^31,32 또는 유기 용매에서 수행됩니다.^8,9,34,35 전단 혼합,³⁷ 볼 밀링,³⁸ 및 전기화학적 공정39,40과 같은 다른 박리 접근법들이 대체적인 규모 확대 방법으로 제안되었습니다.

박리 후 얻어진 분산액은 박리된 플레이크와 박리되지 않은 플레이크를 분리하기 위해 초원심분리법⁴¹을 통해 "정제"된다. 이 초원심분리법은 또한 크고 ^두꺼^운34 플레이크와 작고 얇은^8,31,32,35 플레이크를 분리하는 강력한 도구이기도 하다.

배터리 응용 분야의 기능성 전극 제조에 사용되는 복합재⁴² 및 잉크³¹의 대규모 생산을 위해서는 용액 내 2차원 결정의 고농도가 바람직하다(그림 1C). 초원심분리 후, 흑연 시트^³²의 경우 약 15 mg/mL, MoS₂_⁴³ 플레이크의 경우 약 40 mg/mL의 농도를 달성할 수 있다. 초음파 처리 및 초원심분리를 통해 물-계면활성제 분산액에서 균일한 매질(SLG ~60%)^³¹ 및 밀도 구배 매질(SLG ~80%)^³²에서 단일층 그래핀(SLG)이 고도로 농축된 분산액을 얻을 수 있다. 표면 ^활성제39 및 ^{폴리머44,45를} 사용하면 분산된 플레이크의 형태적 특성(측면 ^크기31 및 ^두께32)을 더 잘 제어할 수 있으며, 생산된 물질의 SSA를 제한하는 주요 요인인 응집을 방지하는 데에도 도움이 됩니다. 그러나 높은 SSA는 배터리에 사용될 때 단점도 있습니다. 예를 들어, 높은 SSA는 고체 전해질 계면층(SEI) 형성을 촉진하여 매우 높은 초기 비가역 용량을 초래한다.^14,46 또한 계면활성제/폴리머의 존재는 장치 통합에 최적이지 않으며, 특히 리튬 이온 배터리(LIB) 전극과 같이 플레이크의 원초적 전자적 특성 보존이 중요한 경우 더욱 그러하다. 계면활성제 및/또는 폴리머의 존재는 플레이크 간 연결성을 감소시켜 전극의 σ에 큰 영향을 미칩니다.²³ 2차원 결정의 LPE의 한 가지 중요한 단점은 높은 비점, 높은 독성 및/또는 구리 및 알루미늄과 같은 전류 집전체에 대한 증착과의 비호환성을 가진 용매에 대한 의존성입니다. 이러한 한계를 극복하기 위해 최근 2차원 결정의 LPE는 물/에탄올^45,47,48 또는 물/이소프로필 알코올⁴⁷과 같은 저비점 용매 혼합물에서 수행되었다. 공용매의 상대 농도를 조절함으로써 2차원 결정 분산액/잉크의 밀도, 점도, 표면 장력과 같은 유변학적 특성을 조절할 수 있다. LPE는 또한 흑연 층 사이에 원자 또는 분자 종(삽입체)을 주기적으로 삽입하여 형성된 흑연 삽입 화합물⁴⁹의 분산을 생성하는 데 활용되며, ^이는 리튬 이온 배터리⁽LIBs)⁴⁶에 널리 사용됩니다. 흑연 삽입 화합물은 도너 또는 어셉터 삽입체로 가공되어 고전도성 재료(σ = 6.3 × 10⁵ S cm⁻¹)를 생성할 수 있습니다.⁵¹ 또한, 층간 간격의 조정 가능성(예: 칼륨, 루비듐 또는 세슘을 사용한 경우 0.53~0.59 nm, 디메틸설폭사이드를 사용한 경우 최대 ~0.9 nm52)으로 인해 다량의 리튬 이온을 수용할 수 있습니다.

LPE는 또한 그래핀 산화물(GO) 생산에도 활용될 수 있다.⁵³ 그래핀 산화물은 확장된 방향족 골격과 가장자리에 부착된 카르복실기 또는 카르보닐기와 같은 하이드록실 또는 에폭시드 그룹과 같은 다중 기능기를 포함한다.⁵⁴ 이러한 기능기들은 GO가 물 및 기타 일반적인 용매에 쉽게 분산될 수 있게 하고, 화학적 변형, 즉 유기 및 무기 나노입자의 공유 결합 부착을 위한 반응 부위를 제공한다. GO 플레이크 내 산소 함유 그룹의 산화 상태를 화학적으로 환원하거나 감소시키는 여러 공정이 개발되었다.⁵⁵ 비록 환원 그래핀(RGO)이 순수 그래핀과 동일한 σ를 달성하지는 못하지만,⁵⁵ 여전히 리튬 이온 및 기타 기술용 전극 제조를 위해 연구자들에 의해 광범위하게 탐구되고 있다.¹⁰ 불행히도, 환원 상태는 음극 재료로서 RGO의 최종 전기화학적 성능에 강한 영향을 미친다. 실제로 배터리 작동 중 기능군의 추가 제거는 그래핀 층의 재정렬을 초래하여 저장 용량을 감소시키고, 결과적으로 사이클링 중 가역 용량을 저하시킵니다.⁵⁶

저장 메커니즘 및 최신 전기화학적 성능

리튬 이온 배터리(LIB)는 리튬 이온의 포획 및 방출을 기반으로 합니다.^1–3 현재의 LIB는 일반적으로 삽입된 리튬 화합물 양극(예: LiCoO₂ 또는 LiFePO₄), 흑연 음극 및 전해질로 구성됩니다.^1–3 충전 모드에서는 외부 전위가 가해지면 리튬 이온이 전해질을 통해 양극에서 음극으로 이동합니다.^1–3 역과정에서는 리튬 이온이 흑연 전극에서 추출되어 양극 쪽으로 이동한다.^1–3 외부 회로에서 이동하는 전자는 기기 구동 및 외부 작업 수행에 활용될 수 있다.^1–3 리튬 이온 저장 중량 용량(즉, 배터리 중량 1g당 저장된 리튬의 중량 백분율)은 이러한 재충전식 배터리의 성능에 결정적이다. 흑연에 비해 그래핀 및 기타 2차원 결정은 이론상 더 큰 중량당 용량을 가진다.¹⁸ 또한 그래핀 사용은 추가적인 유연성을 제공하여 구부러지고 늘어나도 되는 배터리 장치의 추가 개발을 가능하게 한다.⁵⁷ 2차원 결정의 다른 관련 특성으로는 높은 σ(강도)와 작동 온도 범위(-50/100°C) 내에서의 전기화학적 및 열적 안정성이 있다. LIB는 높은 에너지 밀도(~200 Wh kg^–1, 일반적으로 슈퍼 커패시터보다 한 차원 이상 큰, 그림 2)가 필요한 응용 분야에 이상적입니다.

리튬 이온 배터리(LIB)의 음극 및 양극 재료로서의 2차원 결정

그래핀 및 기타 2차원 결정체는 LIB의 양극재^8–10,63 및 음극재64 모두에 유망한 소재로 부상하고 있다(그림 3A). 예를 들어, 그래핀 및 기타 2차원 결정은 올리빈형 인산염(산소 원자의 육각 밀집 배열로 구성되며, Li⁺ 및 M²⁺ 양이온이 팔면체 위치의 1/2에, P⁵⁺ 양이온이 사면체 위치의 1/8에 위치함)^65,66 낮은 σ (~10^–8 S cm^–1)를 가집니다.⁶⁷ 이는 그래핀 및 RGO(그림 3B)와 같은 전기 전도성 2차원 결정이 전도성 2차원 결정과 음극 나노물질 사이의 전자 수송을 용이하게 하여, 더 높은 전기화학적 성능을 가진 전극의 제작을 가능하게 하기 때문입니다.⁶³

비록 전도성 2차원 결정 매트릭스가 복합 재료의 σ를 향상시키고 노출된 음극 재료에 비해 속도 능력을 개선할 수 있지만,⁶⁵ 복합체 제조 방법은 결과적으로 생성된 음극의 최종 전기화학적 성능에 근본적으로 중요합니다. 실제로 카본 블랙에 적용되는 표준 절차에 따라 RGO를 혼합하면 Li⁺ 이동도가 실제로 감소하여 하이브리드 음극의 전기화학적 성능에 영향을 미칠 수 있음이 입증되었다.⁶⁸ RGO를 전기 전도성 지지체로 활용하여 하이브리드 음극 재료를 설계하려는 여러 시도가 수행되었다.⁶⁹ RGO 플레이크 위에 성장된 LiMn_1–xFe_xPO₄ 나노로드는 RGO 플레이크 상에서 성장되었으며, 50C 속도에서 ~100 mAh g^–1의 가역적 비용량을 보였으며, 100회 사이클 동안 1.9%의 열화율로 안정적인 작동을 나타냈다.⁶⁵ 이와 유사한 하이브리드 전극 생성 접근법은 LiMn₂O₄와 같은 스피넬을 비롯한 다양한 재료에 적용되었다.⁶⁹ 하이브리드 RGO/ LiMn₂O₄ 양극은 1C 속도(배터리가 최대 용량 대비 방전되는 속도 측정값)에서 137 mAh g⁻¹의 높은 비용량을 보였으며, 50C 및 100C의 더 빠른 충/방전 속도에서도 각각 117 mAh g⁻¹ 및 101 mAh g^⁻¹의 방전 용량을 제공하며 뛰어난 성능을 나타냈다.^⁶⁹

RGO는 현재 LIB 음극에 가장 널리 사용되는 2차원 결정 물질 중 하나입니다(그림 3C).⁷⁰ 첫 번째 사이클 동안 RGO 음극은 SLG의 이론적 한계보다 훨씬 높은 용량을 나타낼 수 있습니다. 그러나 이러한 큰 초기 용량은 전해질의 비가역적 환원과 다량의 구조적 결함 및 작용기 존재로 인해 촉진될 가능성이 있는 표면 패시베이션 층의 형성과 관련이 있습니다.^26,53–55 RGO 기반 전극의 가역적 비용량은 540 mAh g^–1로70, 그래핀의 이론적 값10보다 훨씬 낮게 입증되었습니다.

최근에는 원시 흑연의 LPE로 생산된 그래핀 플레이크가 양극 제조에 사용되었습니다.^9,10 가장자리와 결함은 리튬의 가역적 저장 장소로 작용할 가능성이 있어 그래핀 기반 전극의 가역적 비용량을 높이는 데 기여합니다. 그래핀 전극은 흑연에 비해 더 빠른 C율⁽⁶¹⁾을 보이며, 이는 주로 그래핀 플레이크 가장자리에서의 리튬 확산 에너지 장벽 감소에 기인한다(^8,71). Hassoun 등은 측면 크기를 100 nm 미만으로 정밀하게 제어한 박리된 그래핀 플레이크로 제작된 음극을 사용하여 700 mA g^–1의 전류 밀도에서 ~750 mAh g^–1의 가역적 비용량을 입증하였다(8).⁸ 이러한 구조는 리튬 이온이 기판면과 플레이크 가장자리 모두에 흡착되도록 했다.⁸ 그래핀 플레이크 기반 음극은 완전 셀 구성에서 최적의 성능을 보였으며, 80회 이상의 충방전 사이클 동안 안정적인 작동과 함께 165 mAh g^–1의 가역적 비용량 및 ~190 Wh kg^–1의 추정 에너지 밀도를 달성했다.⁸ LPE로 제조된 그래핀 플레이크는 바인더 프리 구성에서도 효과적인 음극재로 입증되었으며, 100 mA g^–1 전류 밀도에서 100회 사이클 후 ~500 mAh g^–1의 가역적 비용량을 달성하고 99.5% 이상의 쿨롱 효율을 보였다.⁹

그래핀 및 기타 2차원 결정은 또한 합금형 음극,⁷² 실리콘,^73,74 황,⁷⁵ Co₃O₄,⁷⁶ Li₃VO₄,⁷⁷ Fe₃O₄, ^78과 같은 전기화학적으로 활성적인 입자를 그래핀 및 기타 2차원 결정과 혼합하여 LIB의 충전/방전 용량을 증가시키기 위한 하이브리드 음극 제조에도 사용되었습니다.

그래핀 플레이크와 RGO는 모두 하이브리드 음극에 높은 전도성을 제공하면서 리튬화/탈리튬화 시 부피 팽창/수축을 수용함으로써 NP 응집을 억제할 수 있다. 그 결과, 그래핀/Co₃O₄,⁷³ RGO/황,⁸⁰ RGO/Li₃VO₄,⁷⁴ 및 RGO/Fe₃O₄ ⁷⁵와 같은 하이브리드 양극의 가역적 비용량 및 사이클 성능이 이러한 NP만으로 만들어진 전극에 비해 크게 향상될 수 있습니다.

TMDs,⁸¹ TMOs,⁸² 및 전이 금속 수산화물 (TMHs)⁸³ 역시 이온 전도도가 빠르고 리튬 이온을 삽입할 수 있는 능력 덕분에 유망한 리튬 이온 배터리 소재입니다.¹⁶ 예를 들어, MoS₂ ⁷⁸ 및 WS₂ ⁸⁴ 음극에서 각각 ~800 mAh g^–1 및 ~470 mAh g^–1의 가역적 비용량을 입증했습니다. 직경 약 20 nm의 ZrS₂ 콜로이드 나노디스크는 약 600 mAh g⁻¹의 가역적 비용량을 나타냈다.^⁸⁵ WS₂/RGO 하이브리드 복합체를 전극으로 사용하여 최대 4 A g⁻¹^의 높은 전류 밀도에서 약 240 mAh g^⁻¹의 가역적 비용량을 달성하였다.^⁸⁶ TMO 중에서는 리튬화 MoO₃ 나노벨트는 15회 사이클 후 30 mA ^g–1의 전류 밀도에서 ~220 mAh g^–1의 비용량을 보였으며, 용량 유지율은 92%였습니다.⁸⁷ 그러나 리튬화 과정은 아직 완전히 이해되지 않았으며, 리튬 이온과 산소 원자 간의 상호작용이 가역적 및 비가역적 삽입/흡수 과정을 제어합니다.

기타 기술 (공기, 나트륨, 플렉서블)

리튬-공기

리튬-공기 전지는 일반적으로 금속 리튬과 산소(또는 공기)를 각각 음극과 양극으로 구성하며, 이론적 에너지 밀도는 5,200 Wh kg^–1로, 금속 이온 전지를 사용해 달성 가능한 수준보다 훨씬 높습니다.² 이 높은 이론적 에너지 밀도는 리튬과 공기 중 산소의 결합에서 비롯되며,⁸⁹ 리튬-공기 전지를 차세대 배터리 개발을 위한 가장 유망한 기술 중 하나로 만듭니다.

그러나 유망한 이론적 에너지 밀도에도 불구하고, 리튬-공기 전지는 상용화 성공 전에 해결해야 할 여러 성능 문제가 존재한다. 이러한 한계에는 짧은 수명, 제한된 충전·방전 속도(예: 약 100회 사이클만 가능), 낮은 에너지 효율 등이 포함된다. 현재 음극(공기 전극)의 형태는 리튬-공기 전지 성능 향상의 핵심 제한 요인으로 여겨진다. 실제로 음극의 다공성과 표면적은 방전 과정에서 발생하는 환원 생성물의 형태와 양을 결정한다.

그래핀 및 기타 2차원 결정의 도입은 리튬-공기 배터리의 한계를 해결하고 성능을 향상시키는 데 유망한 결과를 보여주고 있다. 예를 들어, 음극재로 사용된 RGO(환원 그래핀)는 다른 탄소 기판보다 더 높은 용량을 제공할 수 있다.⁹⁰ 특히, 리튬-공기 배터리 음극에서 RuO₂・0.64H₂O-RGO ^{하이브리드91과} 같은 다른 촉매와 RGO를 함께 사용하는 것은 매우 유망하다. 이 흥미로운 조합은 ~3.7V의 충전 전위와 500mA g^–1의 높은 전류 밀도에서 5,000mAh g–1의 가역적 비용량을 제공합니다.⁸⁹ 최근 연구에 따르면 RGO 전극은 방전 및 충전 과정에서 결정질 LiOH를 가역적으로 형성 및 제거하는 데 도움이 되어 높은 비용량과 향상된 재충전성을 이끌어낼 수 있습니다.⁹²

나트륨 이온

나트륨은 리튬보다 더 풍부한 원소이기 때문에 나트륨 이온 배터리는 리튬 이온 배터리를 대체할 저렴한 대안이 될 가능성이 있습니다. 그러나 리튬 이온 기술에서 가장 흔한 음극 재료인 흑연은 나트륨 이온 배터리에 적합한 활성 음극 재료가 아닙니다. 이온 반경이 크기 때문에 Na⁺ 이온은 흑연에 삽입되지 않습니다.⁹³ 이러한 단점은 층간 거리를 조절하여 Na+ 삽입 및 흡수를 최적화할 수 있는 그래핀 기반 재료의 활용을 탐구하는 연구를 촉진하고 있습니다.93 RGO를 사용한 연구에서는 250회 사이클 후 200 mA g^–1 전류 밀도에서 ~100 mAh g^–1의 비용량을 달성하는 등 유망한 결과를 얻었다.⁹⁴ 또한, 큰 그래핀 층간 간격을 가진 고도로 정렬된 흑연 구조로 제작된 음극은 10회 사이클 후 50 mA g^–1 전류 밀도에서 ~300 mAh g^–1의 비용량을 달성하여, 나트륨 이온 배터리를 위한 그래핀 기반 음극에서 층간 간격의 중요성을 재확인시켰다.95 그러나 그래핀 및 2차원(2D^{) 결정의 나트륨 이온 배터리 적용은 여전히 도전 과제로 남아 있다.–1에서} 10회 사이클 후 약 300 mAh g–1의 비용량을 달성하여, 나트륨 이온 배터리용 그래핀 기반 음극에서 층간 간격의 결정적 역할을 입증하였다.⁹⁵ 그러나 나트륨 이온 배터리에서 그래핀 및 2차원 결정체를 음극 활물질 및 양극의 전기적 지지체로 활용하는 것은 초기 단계에 머물러 있다. 이 접근법의 효과성을 규명하기 위해서는 보다 광범위한 연구가 필요하다.

유연성 배터리

유연하고/또는 신축성 있는 배터리 장치의 개발96은 견고한 기계적 특성을 지닌 유연 전극의 개발에 크게 의존한다. 이러한 장치는 기능을 유지하면서 상당한 ^변형22을 수용할 수 있어야 한다. 차세대 배터리는 또한 높은 가역적 비용량과 에너지 효율을 갖추면서 긴 사이클 수명과 낮은 비용을 동시에 달성해야 한다. 이러한 요구사항들은 기존 기술로는 유연 배터리 개발을 특히 어렵게 만든다. 실제로 기존 전극을 제조하는 공정(활물질, 카본블랙, 바인더 혼합 → 전류수집체 코팅 → 후속 건조 → 프레스)은 시간과 비용이 많이 소요된다. 또한 후속 건조(어닐링) 공정은 유연 전극이나 지지체를 제작할 때 기판 자체가 견딜 수 있는 온도 범위가 좁다는 점에서 큰 제약으로 작용한다. 더욱이 유연 전극은 우수한 유연성(σ)과 전극-전류수집체 간 접착력을 확보하기 위해 바인더와 카본 블랙의 정확한 함량을 포함해야 한다. 이러한 맥락에서 전기화학적 성능이 우수한 유연 전극 제조를 위한 새로운 재료 및 생산 공정을 모색할 필요가 있다.

그래핀 및 기타 2차원 결정체는 유연하고 신축성 있는 배터리 구현을 위한 실행 가능한 전략이 될 수 있다. 예를 들어, 실리콘 나노입자가 적재된 3차원 유연 전도성 스캐폴드의 층별 조립체는 8 A g^–1의 방전 전류에서 1,100 mAh g^–1의 가역적 비용량을 나타냈다.⁹¹ 또한 이 소자는 구조적 변형에 대한 내성을 보였다.⁹⁷

Cheng과 공동 ^{연구자들은57} 화학기상 증착법으로 제작된 유연하고 전도성이 있으며 상호 연결된 3차원 그래핀 폼 네트워크를 기반으로 한 얇고 가벼운 유연한 리튬 이온 배터리를 시연했습니다. 이 폼 네트워크는 전자/리튬 이온을 위한 고전도성 경로이자 경량 전류 수집기 역할을 동시에 수행했다. 3차원 그래핀 폼을 활성 물질로 채워 양극과 음극으로 각각 LiFePO₄/그래핀 및 Li₄Ti₅O₁₂/그래핀 전극을 구현한 후, 유연성 배터리를 시연하였다.⁵⁷ 조립된 배터리는 1.9V 전압에서 작동했으며, 초기 방전 용량은 ~143 mAh g^–1, 0.2C 속도에서 쿨롱 효율은 98%를 기록했다.⁵⁷ 3차원 그래핀 폼은 금속 전류 수집체, 전도성 첨가제, 결합제 등 배터리의 다양한 비활성 구성 요소를 대체했다.⁵⁷

이러한 유연성 배터리의 개발은 아직 초기 단계이며, 그래핀 및 기타 2차원 결정체를 ^배터리의 다양한 구성 요소에 통합하는 연구는 더욱 최근의 일이다. 그래핀 및 기타 2차원 결정 기반의 투명하고 유연한 배터리 제조를 위한 신뢰할 수 있는 솔루션이 확인되기까지는 아직 갈 길이 멀다. 의심할 여지없이 투명하고 유연한 배터리는 기술 및 소비자 제품의 다양한 분야에 깊은 영향을 미칠 잠재력을 지닌다. 예를 들어, 유연하고 투명한 배터리는 컴퓨터/스마트폰/PDA 디스플레이와 결합되어 숨겨진 에너지 수확 및 저장 기능을 통합함으로써 더 컴팩트하고 사용자 친화적인 전자기기를 만들 수 있다. 또 다른 예로, 유연하고 투명한 통신 장치, 바이오센서 등 개념적 제품들은 현재 경직되고 불투명한 배터리로 인해 크게 제한받고 있습니다. 이는 유연성과 투명성을 동시에 구현하기 가장 어려운 부품일 것입니다. 다양한 형태의 차세대 전자기기에 적용하기 위해서는 유연한 구조의 배터리가 매우 중요할 것이며, 여기서 그래핀과 2차원 결정이 핵심적인 역할을 할 수 있습니다.

전망

그래핀 및 기타 2차원 결정체는 리튬 이온 배터리(LIB)와 같은 실용적 에너지 저장 시스템의 에너지 및 전력 밀도, 사이클 수, 비용을 향상시키고, 리튬-공기 배터리 및 유연 배터리와 같은 차세대 배터리 개발을 가능하게 함으로써 영향을 미칠 잠재력을 지닙니다. 그러나 해결해야 할 과제가 여전히 많으며, 이 분야에서 획기적인 돌파구가 나올 여지가 충분하다. 실험실 수준에서 유망한 결과가 높은 기대를 불러일으키고 있지만, 2차원 결정 기반의 실험실 규모 연구와 상용화 사이의 격차는 아직 해소되지 않았다. 앞으로의 과제는 리튬 흡착 및 고체 전해질 계면 형성, 플레이크의 측면 크기 및 층 수 역할, 그래핀 기반 복합재 최적화, 플레이크 자체의 적절한 기능화를 통한 2차원 결정 플레이크의 층간 거리 미세 조정 등 근본적 문제에 대한 이해와 제어력을 높이기 위한 생산 방법 개선과 연계되어 있습니다. 이는 저장 밀도와 사이클 수명을 최대한으로 끌어올리는 것을 목표로 합니다. 또 다른 과제는 이러한 신기술의 규모 확대 및 제조입니다. 여기에 열거된 목표들은 유럽 그래핀 플래그십(European Graphene Flagship)이 설정한 2023년까지 달성해야 할 목표들 중 일부입니다.¹¹

감사의 말

저자들은 브루노 스크로사티(Bruno Scrosati), 레자 파티(Reza Fathi), 시모네 모나코(Simone Monaco), 하이얀 선(Haiyan Sun)과의 논의와 유럽연합 제7차 프레임워크 프로그램(제7FP)의 그래핀 플래그십(Graphene Flagship) 연구비 지원(계약번호 604391)에 감사드립니다.