철 단일원자가 담지 된 구형 탄소의 합성과 포타슘이온 배터리 음극재로의 활용

Abstract

탄소중립 달성에 대한 국제사회의 요구가 이어짐에 따라, 기존 화석연료를 대체할 친환경 에너지가 주목받고 있다. 하지만 친환경 에너지의 치명적인 단점으로 꼽히는 간헐성 및 변동성에 따라 이를 극복하기 위해, 에너지 저장장치에 대한 관심과 수요가 폭증하고 있다. 현재 리튬이온배터리는 에너지 저장장치 중 가장 널리 사용되고 있다. 하지만 리튬의 낮은 매장량으로 인해 리튬이온배터리는 높은 단가를 형성하고 있어, 이를 대체할 다른 알칼리 금속에 대한 연구가 활발히 진행 중이다. 그 중, 특히 포타슘은 낮은 표준 환원 전위, 저렴한 비용 및 풍부한 자원으로 차세대 에너지 저장장치의 활용원으로 주목받고 있다. 그러나 리튬이온 시스템에서 사용되는 흑연 음극을 포타슘이온 배터리에 사용했을 경우, 포타슘 이온의 삽입, 탈리 과정 간 수명특성 및 안정성이 떨어진다. 따라서 흑연을 대체하여, 층간 간격이 상대적으로 넓은 하드카본 음극이 주목받고 있다. 하드카본은 삽입 (Intercalation), 흡착 (Adsorption), 총 2 가지 방식으로 포타슘이온을 저장한다. 그 중 흡착을 통한 포타슘이온의 저장은 삽입 메커니즘에 비해 상대적으로 높은 용량을 발현할 수 있으며, 고출력, 높은 수명특성에 더 많은 기여를 하는 것으로 알려져 있다. 따라서 배터리의 용량, 고출력 및 안정성을 향상시키기 위해, 포타슘이온의 흡착용량을 향상시키는 연구가 필요하다. 흡착을 통한 포타슘이온 저장을 위해, 1) 이종원소 도핑, 2) 비표면적 제어, 3) 기공구조 제어 등 연구가 활발히 이루어지고 있지만, 낮은 이종원소 도핑 양, 비표면적 및 기공구조 제어에 기인한 낮은 초기 쿨롱 효율 및 질량당 용량의 한계가 존재한다. 한편, 2021 년 산화철의 충, 방전 과정 간, 최종 환원상인 철 나노입자 표면에서의 흡, 탈착을 통해 추가용량을 발현한다는 연구결과가 발표된 바 있다. 또한 철 단일원자는 차세대 배터리 (리튬 – 황, 리튬 -공기 전지)에 전기화학 분야에서 촉매 활성점으로 널리 사용되는 등 활용가치가 매우 높다. 나아가 철 나노입자 대비 단일원자는 동일 질량 당 높은 활성에 기반하여 경제적이며, 포타슘이온배터리에 사용될 경우 상대적으로 높은 질량 당 용량을 가질 가능성이 존재한다. 하지만 포타슘이온배터리에서 철 단일원자를 활용한 하드카본 기반 음극 소재의 합성 및 포타슘이온 저장 메커니즘에 대한 연구가 부족한 실정이며, 포타슘이온 저장에 철 단일원자의 효과 규명 연구가 필요하다. 본 연구에서는 EISA (Evaporate Induced Self Assembly) 방법을 사용하여 철 단일원자가 포함된 하드카본 음극 탄소재를 단일단계로 합성하고, 포타슘이온 배터리에 음극으로 적용하여, 철 단일원자의 추가 포타슘이온 저장 및 메커니즘을 규명하였다. 하드카본의 용량 향상 요인이라 여겨지는 기능기와 비표면적 및 기공구조를 통제하기 위해, XPS 분석을 통해 기능기 함량을 분석하였고, 비 다공성으로 소재를 설계하였다. 또한 철 단일원자의 함량을 (0wt% → 3wt% → 6wt%)로 조절하여 철 단일원자의 영향을 확인하고자 하였다. 결과적으로 철 단일원자의 함량이 증가함에 따라 음극 소재의 용량이 0.03 A g-1 에서, Blank (0 wt%) : 202.2 mAh g-1, FeNCS -0.5 (3wt%) : 229.5 mAh g-1, FeNCS -1.0 (6wt%) : 295.46 mAh g-1로 향상되는 것을 확인하였다. 또한 CV (Cyclic Voltametry) 분석을 통해 흡착 용량 비율이 Blank : 46 % FeNCS -0.5 : 37 %, FeNCS -1.0 : 80 % 로 증가하는 것을 확인하였으며, 결과적으로 철 단일원자 부근 철 이온의 산화수 변화 (+2, +3)에 따른 포타슘이온의 흡착을 통해 추가 용량이 저장된다는 사실을 규명하였다. 주제어: 포타슘이온 저장장치, 하드카본, 철 단일원자, 흡착용량 향상.