연구진은 그래핀과 유사하지만 더욱 복잡한 미세 구조를 가진 새로운 탄소 네트워크를 예측했는데, 이는 전기 자동차 배터리 성능 향상으로 이어질 수 있습니다. 그래핀은 가장 유명한 특이한 탄소 형태 중 하나이며, 리튬 이온 배터리 기술의 새로운 판도를 바꿀 잠재력을 지닌 물질로 주목받고 있습니다. 하지만 새로운 제조 방식이 개발되면 궁극적으로 더욱 강력한 배터리를 생산할 수 있을 것으로 기대됩니다.
그래핀은 탄소 원자들이 서로 연결되어 작은 육각형 구조를 이루는 네트워크로 볼 수 있습니다. 연구진은 이러한 직접적인 벌집 구조 외에도 다른 구조가 생성될 수 있다고 추측합니다.
독일 마르부르크 대학교와 핀란드 알토 대학교 연구팀이 개발한 새로운 물질이 바로 이것입니다. 연구팀은 탄소 원자를 새로운 방향으로 배열하여 이 물질을 만들어냈습니다. 이른바 바이페닐 네트워크는 육각형, 정사각형, 팔각형으로 이루어져 있으며, 그래핀보다 훨씬 복잡한 격자 구조를 가지고 있습니다. 연구진은 이러한 구조적 차이 때문에 바이페닐 네트워크가 그래핀과는 상당히 다르며, 어떤 면에서는 더 바람직한 전자적 특성을 지닌다고 설명합니다.
예를 들어, 그래핀은 반도체로서의 능력 때문에 가치가 높지만, 새로운 탄소 네트워크는 금속에 더 가까운 특성을 보입니다. 실제로, 단 21개의 원자로 이루어진 비페닐 네트워크의 줄무늬는 전자 기기용 전도성 섬유로 사용될 수 있습니다. 연구진은 이러한 크기에서도 그래핀이 여전히 반도체처럼 작용한다고 지적했습니다.
주 저자는 “이 새로운 유형의 탄소 네트워크는 리튬 이온 배터리의 우수한 양극 소재로도 사용될 수 있다. 기존의 그래핀 기반 소재와 비교했을 때, 리튬 저장 용량이 더 크다”라고 밝혔다.
리튬 이온 배터리의 음극은 일반적으로 구리 호일 위에 펼쳐진 흑연으로 구성됩니다. 이는 높은 전기 전도성을 가지고 있는데, 이는 리튬 이온을 층 사이에 가역적으로 배치하는 데 필수적일 뿐만 아니라, 수천 번의 충방전 주기 동안에도 이러한 배치가 유지될 수 있도록 해줍니다. 이러한 특성 덕분에 리튬 이온 배터리는 매우 효율적일 뿐만 아니라, 성능 저하 없이 오랫동안 사용할 수 있습니다.
하지만 이러한 새로운 탄소 네트워크를 기반으로 하는 더욱 효율적이고 소형화된 대안은 배터리 에너지 저장 장치를 더욱 집약적으로 만들 수 있습니다. 이는 전기 자동차 및 리튬 이온 배터리를 사용하는 기타 장치를 더 작고 가볍게 만들 수 있습니다.
하지만 그래핀과 마찬가지로, 이 새로운 버전을 대규모로 생산하는 방법을 알아내는 것이 다음 과제입니다. 현재 조립 방법은 매우 매끄러운 금 표면 위에 탄소 함유 분자들이 육각형 사슬을 연결하여 형성하는 방식에 의존합니다. 이후 반응을 통해 이 사슬들이 연결되어 정사각형과 팔각형 모양을 형성하므로 최종 결과물은 그래핀과 다릅니다.
연구진은 “새로운 아이디어는 변형된 분자 전구체를 사용하여 그래핀 대신 바이페닐을 생산하는 것입니다. 현재 목표는 더 큰 크기의 물질 시트를 만들어 그 특성을 더 잘 이해하는 것입니다.”라고 설명했습니다.
게시 시간: 2022년 1월 6일
