[A*STAR] 해양 생명체로부터 영감을 얻은 배터리 전극 구조
 리튬이온 전지의 전기화학적 성능을 크게 향상시킬 수 있는 획기적인 방법이 A*STAR 과학자들에 의해 개발되었다. 연구팀은 단세포 조류 혹은 규조류(diatom)라고 불리는 형태의 탬플릿으로부터 영감을 받아 음극으로 사용될 수 있는 계층적 다공성 탄소 구체(hierarchical porous carbon sphere)를 개발하였다 ("Bioinspired Synthesis of Hierarchical Porous Graphitic Carbon Spheres with Outstanding High-Rate Performance in Lithium-Ion Batteries").
자연에서 규조류와 같은 수많은 종류의 미생물들은 바이오미네랄(biomineral)을 조합하여 정교하고 조직적인 3차원적 구조를 만들고 있으며, 나노미터에서 밀리미터 길이 수준까지 뛰어난 조절능력을 보여주고 있다. A*STAR 재료공학연구소에서 연구팀을 이끌고 있는 Xu Li에 따르면, 이런 유기체들은 유기 거대분자(organic macromolecule)를 포함하고 있는데, 복잡한 구조를 구축하기 위한 실리카 빌딩블럭(building block)의 정교한 석출물을 유도하는데 이 유기 고분자가 템플릿으로 사용될 수 있다고 한다.
이런 자연현상에서 영감을 얻은 연구팀은, 전지의 음극 성분으로 사용할 수 있는 탄소물질을 생산하기 위한 자가조립 분자 템플릿(self-assembled molecular templates)을 기반으로 하는 생체모방 전략을 개발하고자 하였다. 이런 재료들은 메조포어(mesopore)를 포함하고 있는데 이것이 탄소 구체 내에서 상호연결된 채널 네트워크를 형성하게 되며, 미세다공성 표면을 가지고 있다. 이런 3차원적 형상은 탄소 구체 내에서의 이온 수송 능력을 향상시키고 높은 저장 용량을 갖게 해 준다.
연구팀은 고분자와 코발트를 포함하고 있는 분자의 응집체인 유기 거대분자를 상호연결된 메조포어를 만들기 위한 템플릿으로 사용하였다. 이것은 규조류가 규산질(siliceous)의 구조를 형성하는 것과 유사한 방식이다. 구체를 위한 탄소 스캐폴드(scaffold)는 당 분자의 고리를 활용하였다. 이것은 고분자 체인에 부착되어 있으며, 수열처리(hydrothermal treatment) 후에는 연한 탄소 구체가 된다. 열분해(pyrolysis)는 코발트로 하여금 흑연화(graphitization)를 촉매하도록 하여, 탄소 구체가 단단하게 되도록 한다. 만약 우레아(urea)를 열분해 전에 첨가하게 되면, 질소가 도핑된 흑연질 탄소(graphitic carbon)가 형성된다. 탄소 구체는 오직 실험실적 방법으로만 제조될 수 있지만, 연구팀은 대량합성을 위한 공정조건을 최적화하고 있다고 밝혔다.
연구팀은 리튬 이온 전지에서의 음극재료로서 탄소 구체를 실험하였다. 이 전지는 높은 가역 용량, 양호한 사이클 안정성 및 뛰어난 성능을 보여주었다. 전류밀도가 600배 증가했을 때에도, 원래 용량의 57%가 유지되었다. 질소로 도핑된 탄소 구체가 더 높은 가역 용량을 갖는 이유는, 이온과 전자의 이동이 도핑된 탄소 구체 내에서 더 용이하기 때문이다.
본 연구결과는, 순수한 탄소 물질과 비교해 볼 때 지금까지 가장 뛰어난 결과이다. 연구팀은 이런 음극 물질로 구성된 전지는 기존의 탄소 물질을 이용해 제조된 전지보다 빠르게 충전될 것으로 예상하고 있다. 다음 연구는 이 물질을 에너지 저장 혹은 전환 시스템으로 응용범위를 확대시키고 전기촉매(electrocatalysis)와 같은 다른 전기화학적 분야에 응용할 수 있도록 하는 것이라고 연구팀은 밝혔다.
그림 1> 흑연질 탄소 구체의 투과전자현미경 사진으로 조직적인 포어 구조를 가지고 있다. 삽입그림은 해양에 서식하는 규조의 광학현미경 사진이다.
그림 2> 수열처리 전의 미셀라 용액(micellar solution)의 투과전자현미경 영상. (a) F127 미셀(2wt% phosphotungstic acidaqueous solution으로 염색). (b) 코발트 글루코네이트(cobalt gluconate) 첨가 후 형성된 F127 클러스터, (c) α-cyclodextrin로 처리한 후의 F127 클러스터
[출처 = KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』/ 2015년 9월 14일]
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Batteries: Power of marine inspiration
A*STAR scientists have drawn on nature for a breakthrough that significantly enhances the electrochemical performance of lithium-ion batteries. The researchers have developed hierarchical porous carbon spheres to be used as anodes after being inspired by the templated formation of unicellular algae or ‘diatoms’ ("Bioinspired Synthesis of Hierarchical Porous Graphitic Carbon Spheres with Outstanding High-Rate Performance in Lithium-Ion Batteries").
“In nature, a great number of microorganisms, like diatoms, can assemble biominerals into intricate hierarchical three-dimensional architectures with great structural control over nano- to millimeter length scales,” explains Xu Li, who heads the research team at the A*STAR Institute of Materials Research and Engineering. “These organisms contain organic macromolecules, which can be used as templates to induce and direct the precise precipitation of silica building blocks to form the complex structures.”
This natural phenomenon inspired Li and colleagues to develop biomimetic strategies based on self-assembled molecular templates to produce hierarchical carbon materials for use as anodic components of batteries. These materials contain mesopores, which form an interconnected network of channels within the carbon spheres, and have a microporous surface (see image). These three-dimensional features promote ion transport and high storage capacity within the carbon spheres.
Li and the team used organic macromolecules, an aggregate of polymers and cobalt-containing molecules, as templates to make the interconnected mesopores — in a similar way that diatoms create their siliceous structure. The carbon scaffold of the spheres is derived from rings of sugar molecules, which thread on to the pendant polymer chains and form ‘soft’ carbon spheres after hydrothermal treatment. Pyrolysis causes a cobalt species to catalyze the graphitization process, creating the ‘hard’ carbon spheres. If urea is added before pyrolysis, nitrogen-doped graphitic carbon spheres are made. “The carbon spheres can only be prepared on a laboratory scale, however, we are optimizing the synthetic conditions to scale up fabrication,” says Li.
Next, Li and co-workers tested the carbon spheres as anodes in lithium-ion batteries. The batteries showed high reversible capacity, good cycling stability and outstanding high-rate performance. Even when the current density is increased 600-fold, 57 per cent of the original capacity is retained. The nitrogen-doped carbon spheres have a higher reversible capacity because of more facile transport of ions and electrons within the doped carbon spheres.
“These results are among the best output to date compared with pure carbon materials,” says Li. “We envisage that batteries composed of these anode materials could be charged faster than those fabricated using conventional carbon materials,” he adds. The next stage of the research is to extend the application of these materials to other energy storage or conversion systems, and other electrochemical applications, such as electrocatalysis.
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