| 내용 |
그래핀은 현재 지구상에서 가장 많이 연구되고 있는 물질이며, 특히 전하 저장에 적합하며 많은 실험실의 결과가 오늘날의 에너지 저장 영역을 변화시킬 가능성을 확인했다. 특히, 그래핀은 소형 축전기, 완전히 유연하고 말 수 있는 에너지 저장 장치, 투명 배터리 및 대용량, 고속 충전 장치와 같은 에너지 저장 장치에 몇 가지 새로운 기능을 제공할 수 있다. 이러한 특색들은 네이처 리뷰스 머터리얼스 (Nature Reviews Materials)의 리뷰 기사 ('Graphene for batteries, supercapacitors and beyond')에서 자세히 설명하고 있다. 주목할 만한 진전에도 불구하고, 에너지 저장 시장에서의 미래 그래핀은 몇 가지 문제로 인해 불확실하다. 이 리뷰 기사는 이러한 문제에 대한 해결책을 논의하고 제안하며 에너지 저장 응용 분야에서 새로 부상하는 다른 2D 재료의 잠재력을 간략하게 논의하고 있다. 그래핀은 표면적이 2,630 m2g-1로 매우 커서 슈퍼 커패시터에 큰 관심을 끌고 있다. 그러나 슈퍼 커패시터에서 그래핀의 한계를 이해하기 위해서는 활성 물질의 커패시턴스뿐만 아니라 전체 패키지 셀의 에너지 밀도를 아는 것이 중요하다. 그래핀의 커패시턴스 외에도 그래핀 기반 슈퍼 커패시터의 최대 에너지 밀도는 그래핀 필름, 전류 수집기 및 분리기를 포함한 다른 셀 구성 요소의 두께 및 밀도, 전해질의 특성 및 밀도, 셀 및 포장 효율에 의존한다. 그래핀은 또한 산화 환원 흐름, 금속 공기, 리튬-황 및 더 중요한 것은 리튬 이온 배터리를 포함하여 광범위한 배터리에서 매우 유용하다. 그래핀은 화학적으로 양극 및 음극 전극에 적합한 다양한 형태로 가공될 수 있어 초 고밀도의 모든 그래핀 전지를 제조할 수 있다. 또한 연구원들은 고속 리튬-황 배터리 또는 리튬 금속 배터리를 향상시키기 위해 탄소 나노 튜브/그래핀 샌드위치와 같은 그라파이트 복합 재료의 사용을 반복해서 보여주었다. 나트륨 이온 배터리용 고성능 전극으로서 이황화 몰리브덴과 조합하여 사용할 수 있다. 그래핀 잉크를 사용하는 3D 인쇄된 그래핀 배터리조차도 이미 시연되었다. 양자점 (0D), 와이어 (1D), 필름 (2D), 모노리스 (3D) 및 잠재적인 4D자가 치유 또는 잠재적으로 4 차원의 모든 4 차원을 커버할 수 있는 다양한 고유의 거시적인 그래핀 어셈블리가 준비될 수 있다. 그래핀의 상업적 잠재력을 실현하기 위해서는 우수한 성능의 그래핀 전극을 산업계 규모로 제조하기 위한 신뢰성 있고 비용 효과적이며 쉬운 공정을 개발하는 것이 필요하다. 용액 프로세싱은 그래핀 전극 제작을 위한 간단하면서도 효과적인 전략을 제공하며 배터리 전극 준비를 위해 업계에서 채택한 현재의 생산 프로토콜과 호환된다. 그래핀 분산액은 딥 코팅, 로드 코팅, 스프레이 코팅, 잉크젯 프린팅, 스핀 코팅, 스크린 인쇄, 그라비어 인쇄, 블레이드 코팅, 전기 방사, 전착, 진공 여과, 드롭 캐스팅, 계면 증착, Langmuir-Blodgett 증착 및 층별 어셈블리 등을 포함한 다양한 코팅 기술을 사용하여 전극으로 가공할 수 있다. 가장 적합한 코팅 기술은 최종 전극의 원하는 특성 및 크기, 분산액의 원하는 필름 두께 및 양의 그래핀에 따라 달라진다. 또 다른 중요한 매개 변수는 장치의 설계 즉, 전통적인 샌드위치 구조 또는 평면형 에너지 저장 장치가 필요한지 여부이다. 이제 스마트 폰 및 기타 휴대용 전자 장치가 보편화되었으므로 한 가지 중요한 문제가 남아 있다. 이는 배터리 기술이 요구 사항을 충족시키지 못했기 때문이다. 또한, 신뢰할 수 있는 배터리가 없기 때문에 전기 자동차가 내연 기관을 비해 차량에 쉽게 채택되지 못하고 있다. 연구자들은 상업적으로 이용 가능한 성능 특성을 훨씬 능가하는 성능 특성을 가진 그래핀 기반 배터리 및 수퍼 커패시터를 시연하였지만, 고품질 그래핀의 대량 생산을 위한 실현 가능한 기술의 부재는 잠재력을 제한한다. 그래핀의 생산 비용에 대한 추정치는 물질의 품질에 따라 kg 당 수 십에서 수천 달러까지 달라지지만 최첨단 재료에서는 아직 경쟁력이 없다. 예를 들어, 수퍼 커패시터에서 현재 사용되는 활성탄의 가격이 매우 낮으면 (kg 당 US $ 15) 다른 물질의 유입에 어려움이 있다. 뛰어난 전기 화학적 성질과 큰 표면적, 높은 전자 전도성 및 우수한 기계적 성질의 독특한 조합으로 인해 그래핀이 에너지 저장의 경관을 변화시켰다는 것은 의심의 여지가 없다. 그래핀으로 제조된 에너지 저장 장치의 잠재력은 아직 실현되지 않았으며 특히 미세 구조가 제어되고 잔류 산소량이 낮은 그래핀의 저비용 대량 생산을 위한 실현 가능한 기술과 관련하여 많은 과제가 남아있다. 실험적 연구와 함께 이론적인 계산을 사용하여 기존의 문제를 해결하기 위한 연구가 이루어져야 한다. 나노 스케일에서 그래핀 시트의 상호 작용을 이해하면 다양한 형태와 크기의 자기 조립 구조를 형성할 수 있기 때문에 그래핀의 응용 가능성을 높일 수 있다. 그래핀 연구는 우리의 삶에 실제적인 영향을 미칠 것이기 때문에 향후 10 년 동안 계속해서 급속하게 확대될 것으로 예상된다. |
