흑연은 휴대용 전자기기 등의 배터리의 음극물질로써 상용화가 된 물질이다. 하지만 흑연의 낮은 이론용량 (372 mAh/g)과 빠른 충방전에서의 낮은 성능은 고용량/고에너지를 요구하는 전기차 분야의 배터리로 활용되기에 많은 한계에 부딪히고 있다.
흑연의 대체제로 층상구조를 갖는 높은 용량의 conversion-/alloying-type의 음극물질들에 대한 연구가 많이 진행되고 있다. 그러나, 이런 음극물질들은 충방전 과정에서 큰 부피팽창을 일으켜 전극을 손상시킨다는 단점을 가지고 있다. 2D기반 층상구조 음극물질들의 고속충방전에서의 낮은 성능은 Li+ desolvation이 가능한 혹은 리튬이온이 직접 반응할 수 있는 활성점들이 매우 적게 분포하고 있기 때문이다. 특히, 대부분의 물질에서 edge 부분이 활성점 역할을 하는 반면, 2D 기반 층상구조 물질들은 edge plane이 상대적으로 적다. 따라서, 이 연구에서는 intercalation- /conversion-type 층상구조 음극 활물질들의 활성점 증가를 위해 구조를 제어하는 연구를 진행하였다.
첫번째로, 흑연의 graphene layer의 시트크기를 줄임으로써 edge site를 증가시킨 후, 추가로 낮은 온도로 어닐링을 진행해 전기전도도를 증가시켜 용량을 증가시키는 연구를 진행하였다. 산화공정 중 산화제 양을 늘림으로써 graphene 시트가 강산에 의한 산화반응으로 작은 사이즈로 찢어지게 되고, 이때 추가적으로 리튬과의 반응성이 좋은 carbonyl 산소관능기의 양이 증가하게 됨을 확인하였다. 추가로 진행되는 어닐링 과정을 도입해 리튬과의 반응성이 좋지 않은 관능기들을 선택적으로 제거하고 탄소결합을 회복시킴으로써 전기전도도가 증가된, 그리고 carbonyl 산소관능기의 양이 증가된 aGO를 얻을 수 있었다. 시트사이즈가 가장 작은 aGO의 용량은 779 mAh/g까지 증가시킬 수 있었다.
두번째로, conversion-type인 MoS₂ 연구에서는 edge만이 활성점이라는 점을 감안해 MoS₂ 시트사이즈 중에서 가장 작은 [Mo₃] unit을 갖는 물질에 대한 연구를 진행하였다. [Mo₃] unit에 더 많은 양의 황이 모두 노출된 상태의 구조를 가지고 있는 Mo₃S₁₃ cluster를 처음으로 리튬이온배터리의 음극물질로 적용하였다. 이 물질은 유기용매에 민감하기 때문에 전극 슬러리의 구성을 PAA 바인더와 IPA 솔벤트로 최적화를 하였고, 이렇게 얻어진 Mo₃S₁₃ cluster 전극은 1192 mAh/g의 높은 성능을 나타냈다. 열처리를 통해 황을 선택적으로 제거하여 진행한 활성점 연구를 통하여 Mo₃S₁₃ cluster내의 disulfide (S22-) 뿐만이 아니라 apical S2-도 활성점 역할을 해 활성점이 극대화된 것을 확인하였다.
마지막으로, 탄소의 활성점을 증가시키는 방법으로 pitch에서 추출한 hydrocarbon을 적층시켜 conversion-/alloying type 물질에 코팅하여 고속 충방전에서의 성능향상을 위한 연구를 진행하였다. 다양한 크기의 Polycyclic aromatic hydrocarbons(PAHs)를 갖는 pitch에서 toluene에 용해되는 PAHs 만을 추출해 크기분포도를 좁게 가지며 aliphatic chain을 포함한 PAHs를 얻을 수 있었고, 이는 π-π stacking 통해 solution mixing만으로도 활물질 표면에 코팅이 될 수 있었음을 확인하였다. 이렇게 얻어진 탄소코팅층은 aromatic carbon core의 π-π bonding을 통해 좋은 전기전도도를 제공할 수 있을 뿐만 아니라 치환된 side chain에 의해 많은 활성점을 제공하고 열처리 과정에서 생기는 defect들 사이로 Li+ diffusion pathway를 짧게 해 높은 충방전이 가능함을 확인하였다.
따라서, 이 연구에서 제시된 방법들은 2D기반 적층구조를 갖는 음극물질들의 구조를 활성점을 증가시킬 수 있도록 제어하여 고속 충방전에서의 성능이 향상될 수 있음을 확인하였다. 따라서 고속 충방전이 요구되는 배터리의 음극물질 개발에 도움이 될 것으로 판단된다.