최근 King Abdullah University of Science and Technology(KAUST)는 차세대 배터리용 음극 재료를 개선하는 데 도움이 될 수 있는 연구 결과를 발표했습니다.
보고서에 따르면 KAUST는유망한 대체 전극 재료의 구조를 수정하기 위한 레이저 펄스에너지 용량 및 기타 주요 특성을 개선하기 위해 "MXene"이라고 합니다.
이 연구에서 과학자들은 흑연이 탄소 원자의 평평한 층을 포함하고 있으며 배터리 충전 중에 "임베딩"으로 알려진 프로세스에서 리튬 원자가 이러한 층 사이에 저장된다고 설명했습니다. '맥신' 소재의 구조도 리튬을 담을 수 있는 층을 포함하고 있는데, 이 층은 티타늄이나 몰리브덴 등의 전이금속과 탄소나 질소 원자가 결합돼 소재의 전도성을 높인다.
이 층은 또한 표면에 산소 또는 불소와 같은 추가 원자를 가지고 있습니다. 몰리브덴 카바이드 기반의 "MXene" 재료 구조는 특히 우수한 리튬 저장 용량을 갖지만 반복되는 충방전 주기 후에 성능이 급격히 저하됩니다.
Husam N. Alshareef와 Zahra Bayhan이 이끄는 KAUST 팀은 이러한 분해가 몰리브덴 산화물을 형성하는 MXene 구조의 화학적 변화로 인해 발생한다는 것을 발견했습니다.
이 문제를 해결하기 위해 그들은 적외선 레이저 펄스를 사용하여 "레이저 스크라이빙"으로 알려진 프로세스인 "MXene" 재료의 구조에서 몰리브덴 카바이드의 작은 "나노도트"를 생성했습니다. 이 프로세스를 "레이저 스크라이빙"이라고 합니다. 폭이 약 10나노미터인 이 나노점은 탄소에 의해 MXene 구조의 층에 부착됩니다.
이는 몇 가지 이점을 제공합니다. 첫째, 나노도트는 리튬에 대한 추가 저장 용량을 제공하고 충전 및 방전 프로세스를 가속화합니다. 레이저 처리는 또한 재료의 산소 함량을 줄여 문제가 되는 몰리브덴 산화물의 형성을 방지합니다. 마지막으로 나노점과 층 사이의 강한 연결은 "MXene" 재료 구조의 전기 전도도를 향상시키고 충전 및 방전 과정에서 이를 안정화시킵니다.
보도 자료에서 Bayhan은 "이는 배터리 성능을 조정하는 비용 효율적이고 빠른 방법을 제공합니다."라고 말했습니다.
연구진은 레이저로 각인된 물질로 양극을 만들고 1,000 이상의 충방전 주기로 리튬 이온 배터리에서 테스트했다. 나노도트를 사용하면 재료의 전기 저장 용량이 원래 MXene보다 4배 더 높아 이론상 흑연 최대 용량에 거의 도달했습니다. 레이저로 각인된 재료는 또한 사이클링 테스트에서 용량 손실을 나타내지 않았습니다.
이러한 결과에 비추어, 그들은 레이저 각인이 다른 "MXenes" 재료 구조의 성능을 개선하기 위한 일반적인 전략으로 사용될 수 있다고 믿습니다. 예를 들어, 이것은 리튬보다 저렴하고 풍부한 금속을 사용하는 차세대 충전식 배터리 개발로 이어질 수 있습니다. 또한 흑연과 달리 MXenes 재료 구조에는 나트륨 및 칼륨 이온이 포함될 수도 있습니다.
