리튬 배터리 음극 물질인 메조 기공 아나타제 제조

KISTI 미리안『글로벌동향브리핑』 2010-03-08

연구자들은 새로운 세대의 충전 리튬 배터리에서 음극물질인 흑연의 대체물로서 안정성 등 잠재 가능성 때문에 TiO2 나노 입자, 나노선, 그리고 나노튜브에 큰 관심을 가진다. 영국의 과학자들은 정렬된 3D 기공구조를 가진 메조기공 아나타제의 합성을 독일화학회지 3월 5일자로 인터넷을 통해 발표하였다. 연구팀은 딱딱한 템플릿을 이용하였으며 리튬 삽입 호스트로서 특성을 조사하였다. 그 구조는 층을 가진 기공 구조를 나타낸다. 마이크로 크기 입자로 구성되었음에도 불구하고 입자내부에 정렬된 메조 기공을 가져 높은 리튬 저장 능력과 높은 삽입 속도를 나타내어 물질은 어떤 티탄산염 (6 nm 나노 입자 아나타제)의 가장 높은 성능속도보다 30%에서 200%사이의 에너지 밀도를 나타내고 있다. 아나타제와 LiFePO4와 같은 나노입자는 한 가지 형태의 상에서 다른 상으로 변경되어 손쉬운 리튬 삽입을 나타내는 것으로 제안되어 왔다. 마이크로 크기의 메조기공 입자는 그렇게 할 수 없지만 여전히 손쉬운 삽입을 보여주고 있다. 이것은 아나타제 (A상)와 사방정계0.59 TiO2 구조 (B상)사이의 변경되어 얇은 (6.5 nm)벽안에서 삽입이 일어나는 것이다. 정렬된 3D 기공 구조를 가진 메조기공 아나타제는 딱딱한 템플릿으로 실리카 KIT-6을 사용하여 합성하였다. 정렬된 기공 구조는 TEM 데이터로 밝혔으며 스페이스 그룹 Ia3d를 가진 KIT-6 딱딱한 템플릿의 부분을 만들었다 [그림 1]. 23.3 nm 메조구조에 대한 a0 격자상수는 이 데이터로부터 얻었다. 그 벽 (6.5 nm)들은 아나타제 결정으로 구성되어 있다. 격자 간격 0.35 nm는 HRTEM으로 관찰되었고 아나타제 (ICDD 00-001-5062)의 (101) 방향을 가진 d-간격 0.352 nm와 잘 일치되었다. 저각과 넓은 각PXRD 데이터에서 저각 회적 패턴은 하나의 18아래에 예리한 피이크를 보여주고 있고 la3d 스페이스 그룹에 있는 211 반사로 색인될 수 있으며 TEM 데이터와 잘 일치하여 a0 격자 상수 23.5 nm와 상응하였다. 넓은 각 PXRD에서 넓은 피이크들은 아나타제 나노입자 AK-1과 잘 일치함을 보여 주었다. 메조기공 아나타제 피이크 폭은 나노입자 직경 (15 nm)보다 얇은 벽을 가진 나노입자의 폭 보다 컸다. 메조기공은 질소 기체 흡착 실험에 의해 조사되었다. H2 히스테리시스를 나타내는 전형적인 형태의 IV 등온선이 관찰되었다. 이것은 TEM과 PXRD 데이터에서 메조기공의 증거와 일치하였다. BJH 기공 크기 분포는 적어도 세 개 피이크를 보였으며 층을 가진 기공 구조를 나타내었다. 이와 같이 연구팀은 정렬된 3D 메조기공 아나타제를 합성하였으며 리튬 삽입을 조사하였다. 구조 변화들은 나노입자와 비슷하였고 계속적인 리튬 삽입이 정방정계 아나타제에 이루어졌다. 이 결과 아나타제와 사방정계로 상 과정이 일어났다. 메조기공 상의 기본적인 기공성에도 불구하고 체적용량은 이전에 보고된 나노입자 아나타제의 가장 좋은 결과 보다 높았다. 계수 능력은 정렬되지 않은 메조기공 아나타제보다 훨씬 좋았으며 이는 정렬된 기공 구조가 높은 계수능력을 이루기 위해 중요함을 알 수 있었다. hyun-030510AW.jpg 출처 : http://www.angewandte.org