초록 ▼

현재 다양한 에너지 분야에 쓰이는 나노전극소재는 그 구조 및 형상을 제어하기 위해 열처리 공정을 이용하고 있다. 이러한 열처리공정은 결정화 및 합금화도를 향상시켜줄 수 있지만, 높은 온도로 인해 나노 사이즈의 입자의 경우 그 크기 및 균일도를 유지하지 못하여 실질적인 응용에 있어 성능저하를 가져오게 된다. 3년간 진행된 본 연구에서는 기존의 열처리공정의 문제점을 해결하고, 신규 열처리 공정을 적용함으로서 대량 생산이 가능하고 균일한 크기를 갖는 고성능의 나노전극소재를 개발하는 것에 초점을 맞추어 진행되었다.
먼저 본 연구진에서

현재 다양한 에너지 분야에 쓰이는 나노전극소재는 그 구조 및 형상을 제어하기 위해 열처리 공정을 이용하고 있다. 이러한 열처리공정은 결정화 및 합금화도를 향상시켜줄 수 있지만, 높은 온도로 인해 나노 사이즈의 입자의 경우 그 크기 및 균일도를 유지하지 못하여 실질적인 응용에 있어 성능저하를 가져오게 된다. 3년간 진행된 본 연구에서는 기존의 열처리공정의 문제점을 해결하고, 신규 열처리 공정을 적용함으로서 대량 생산이 가능하고 균일한 크기를 갖는 고성능의 나노전극소재를 개발하는 것에 초점을 맞추어 진행되었다.
먼저 본 연구진에서는 뛰어난 전기적, 물리화학적 특성을 가진 탄소물질 그래핀에 열수화법 공정을 이용하여 균일한 크기의 다양한 전이금속산화물을 성장시켰다. 이러한 열수화법 공정을 통해 나노 크기의 전이금속산화물을 그래핀 층 위에서 균일한 크기로 뭉침 없이 성장시켰고, 동시에 그래핀 탄소 원자 사이에 다른 이종원소를 쉽게 도핑할 수 있었다. 얻어진 전이금속산화물/그래핀 복합체는 높은 균일도와 매우 작은 크기로 인한 활성영역증가로 리튬이차전지 음극소재로서의 평가 시, 매우 높은 성능을 보여줌을 확인할 수 있었다. 또한 그래핀에 이종원소가 도핑된 복합재의 경우, 기존의 도핑되지 않은 복합재보다 더 뛰어난 출력특성을 보여주었다.
둘째로 본 연구진은 전이금속전구체의 직접적인 열처리를 통해 전이금속산화물/탄소 나노전극복합재를 만드는 무용매 공정법(solventless process)을 개발하였다. 이 공정을 통해 수용액이나 유기용매를 사용하지 않고, 물리적 방법으로 금속염의 표면에 전이금속전구체 용액를 도포하여 열처리 공정을 함으로써 고온 반응임에도 불구하고,입자의 크기가 균일하며, 전이금속나노입자가 탄소 시트에 고르게 분포되어 있는 나노복합재료를 한 번의 공정으 로 제조할 수 있었다. 기존의 용액상의 제조방법과 달리, 이 방법은 용매를 사용하지 않아 매우 간편한 공정으로 진행되며, 손쉽게 대량 생산이 가능하였다. 이 방법을 통해 합성된 전이금속산화물/탄소 나노복합재료는 매우 안정적이고 높은 용량을 가진 리튬이차전지 음극재로서의 가능성을 보였다.
셋째로 용매열합성법을 통해 이종원소가 도핑된 그래핀을 대량 합성할 수 있는 방법을 개발하였다. 현재 고성능 나노전극재료로 그래핀소재가 각광을 받고 있으나 낮은 수득율과 이로 인한 높은 가격으로 상업화에 큰 장벽이 되고 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해 본 연구진에서는 이종원소 (N, S)가 포함되어 있는 값 싼 유기용매를 전구체로 사용하고, 용매열합성법을 이용하여 한 번에 수 그램의 도핑된 그래핀을 얻어내었다. 이렇게 얻어진 이종 원소 도핑된 그래핀은 리튬이차전지 전극소재로서 높은 용량을 구현할 수 있었을 뿐만 아니라, 연료전지 및 리튬-공기전지의 양극재로서 높은 촉매활성도를 가짐으로서 기존의 Pt/카본 전극재를 대체할 수 있음을 보여주었다.
또한 나노촉매가 담지된 그래핀 시트와 상용 탄소 지지체를 복합화하여 촉매활성도를 높이는 연구를 진행하였다. 백금계 합금나노입자가 담지된 그래핀 층 사이를 카본블랙이 지지하여 삼상계면(triple-phase boundary)을 이루게 함으로써 전자의 이동을 보다 용이하게 하였다. 이렇게 제조된 복합구조의 합금나노촉매는 높은 전기촉매 활성도를 가지며, 고분자 전해질막 연료전지의 전극재료로써 우수한 성능을 띄는 것을 확인하였다.
본 연구과제를 통해 신규 열처리 방법을 사용하여 기존 용액 상태의 나노재료 제조방법의 한계를 극복함으로서 균일한 나노입자의 합성법을 개발하고, 나노입자의 물성을 제어할 수 있는 기술을 고안하였다. 나아가 리튬 이차전지용 전극재료 및 연료전지용 전극재로의 응용을 위한 나노소재의 복합화와 합금화 기술을 통해 기존의 전기화학 소재들이 가지고 있는 한계를 극복하고 우수한 성능을 갖는 나노전극재료 합성법의 원천기술을 확보할 수 있었다. 이러한 결과는 고유가 시대에 가장 주목받고 있는 에너지 분야에 새로운 접근방식으로 나노기술을 적용함으로써, 에너지 효율을 높이고, 해외 의존도가 높은 전극소재의 국산화를 앞당기는 데 기여하는 결과라 생각한다.

Abstract ▼

Thermal treatment process has been used to control the structure and morphology of nanomaterials for electrodes that have been widely used in various energy systems. Thermal treatment process can enhance the crystallinity and alloy level but be resulted in poor performance by agglomeration of nanoma

Thermal treatment process has been used to control the structure and morphology of nanomaterials for electrodes that have been widely used in various energy systems. Thermal treatment process can enhance the crystallinity and alloy level but be resulted in poor performance by agglomeration of nanomaterials due to high temperature. This three-year-research was to overcome the disadvantage of the existing thermal treatment process to produce the uniform nanomaterials for electrodes by adopting a new thermal treatment that we developed.
First, We successfully grew various transition metals on graphene that has the extraordinary electrical and mechanical properties by using hydrothermal process. Not only grew we the transition metal in the uniform state avoiding agglomeration but also doped the other atoms between carbons of graphene. The synthesized transition metal-graphene complex showed the excellent performance as an anode for Li-ion battery due to its high surface area. In addition, the hetero-doped transition metal-graphene complex showed better rate performance than the original transition metal-graphene complex.
Second, We developed so-called ‘solventless process’ that produces transition metal-carbon complexes through the direct thermal treatment of transition metal precursors. Using this method, even though it’s still a high temperature process, we synthesized the uniform and monodispersed transition metal-carbon sheets by mechanically mixing liquid phase transition metal precursors with metal salts. Since it is the solventless process, the process was very simple and easy to be adopted for mass production. Through this process, the synthesized transition metal-carbon complex showed the possibility as a high performance anode material for Li-ion battery.
Third, we developed the mass productive fabrication method for hetero-doped graphene using solvothermal method. Graphene is currently in the limelight as a nanomaterial for an electrode but still suffers from commercializing because of low yield and high price. In order to overcome these problems, we used cheap organic solvents containing the hetero atoms (N, S) as precursors and successfully gained the doped graphene in gram scale through solvothermal process. The gained hetero-doped graphene showed high capacity as an anode for Li-ion battery as well as the possibility to replace a Pt/carbon electrode material as a cathode for Li-air battery and fuel cell thank to its high catalytic property.
In addition, we conducted a research which enhances the catalytic activity of electrodes by compositing commercialized carbon substrates with nanocatalyst supported graphene. Carbon black between the gap of graphene layers supporting Pt family nanoalloy makes triple-phase boundary, which enhances electron transportation. we confirmed that the fabricated nanoalloy catalyst complex showed high electrocatalytic activity and the excellent performance as an electrode for polymer electrolyte membrane fuel cell.
Throughout the research, the novel thermal treatment process we developed overcomes the disadvantage such as agglomeration that is the main problem of traditional solution based synthesis for nanomaterials. It makes us fabricate the uniform nanomaterial and control its properties. Furthermore, we acquired the core echnology for the fabrication of electrodes using nanomaterials which overcomes the limitation of the traditional electrodes for electrochemistry by nanocomplex and alloying techniques. We think our research, adopting nanotechnology to the energy storage field, can bring localization of the fabrication technology for electrodes that mostly has been developed at overseas.