연구원들이 그래핀을 개발하다

노스캐롤라이나 주립대학교(NC State), 국립과학기술개발청, 태국 NSTDA 특성화 및 테스트 서비스 센터의 연구원들은 실 모양의 섬유 형태로 그래핀 기반 음극을 만들었습니다. 그런 다음 연구원들은 이 섬유를 사용하여 손목시계에 전력을 공급할 수 있는 아연 이온 배터리 프로토타입을 만들 수 있었습니다.

실 모양의 음극을 갖춘 배터리 프로토타입. NCSU 웹사이트의 이미지

개념 증명 연구는 궁극적으로 의류에 통합될 수 있는 섬유 모양 배터리 개발의 한 단계 발전입니다.

"궁극적으로 우리는 실 모양의 배터리를 만들고 싶습니다. 이를 통해 실제 의류에 넣을 수 있고 가급적 숨길 수 있습니다"라고 NC State의 섬유 공학, 화학 및 과학 부교수인 이번 연구의 교신 저자인 Wei Gao가 말했습니다. “이 연구에서 우리는 실 모양의 음극을 만들었습니다. 우리의 연구 결과는 이렇게 짧은 섬유 스트립에 대해 매우 유망했으며, 우리 설계의 성능, 안전성 및 기계적 특성을 개선하기 위해 이 작업을 계속할 수 있기를 바랍니다.”

음극을 만들기 위해 연구진은 그래핀을 활용하여 실 모양의 아연 이온 배터리를 만들었습니다. 이번 연구에서 연구진은 다양한 모양과 크기의 다양한 이산화망간 미세입자를 만들었습니다. 그런 다음 그들은 용액 방사 공정을 사용하여 이산화 망간 입자가 내장된 산화 그래핀으로 만들어진 섬유를 형성했습니다. 그들은 섬유의 전기화학적 특성과 기타 특성을 연구했습니다.

"우리는 섬유 모양의 아연 이온 배터리를 만들려고 하기 때문에 배터리 성능뿐만 아니라 기계적 특성에도 관심을 갖습니다. 섬유는 강하고 유연해야 합니다."라고 Gao는 말했습니다.

연구진은 음극을 만드는 데 사용한 산화그래핀과 이산화망간 물질의 모양이 전기화학적 기능에 영향을 미친다는 사실을 발견했습니다. 구체적으로 그들은 그래핀과 균일하게 혼합된 더 짧은 막대 모양의 이산화망간 성분을 발견하여 연구원들이 기능성 배터리 프로토타입으로 작동할 수 있는 섬유를 만들 수 있게 했습니다. 이에 비해 그들은 이산화망간이 "성게" 모양을 가질 때 섬유가 기능성 배터리에 사용될 수 없다는 것을 발견했습니다.

“그래핀과 이산화망간이 잘 혼합되면 섬유를 사용하여 기능성 배터리를 만들 수 있습니다.”라고 이번 연구의 제1저자이자 NC 주립대학교 대학원생이었던 Nakarin Subjalearndee가 말했습니다. “이산화망간이 성게 모양이었다면 음극선 표면이 거칠어 사용할 수 없다는 뜻이었습니다.”

Gao는 “막대 모양의 이산화망간이 우리에게 최고의 성능을 제공했습니다.”라고 덧붙였습니다. “이 입자들은 모든 종류의 가장자리가 뾰족한 둥글고 성게 모양의 입자와 비교하여 섬유의 구성이나 기하학적 구조를 모방했습니다. 그들은 섬유 내 그래핀 산화물 나노시트의 적층을 방해했습니다.”

배터리 성능은 낮았지만 연구원들은 이를 손목시계에 전원을 공급하는 데 사용할 수 있었습니다. 팀에서는 디자인 성능을 개선하기 위한 작업을 계속하기를 원합니다.

“이 연구는 섬유에 있는 첨가제의 모양과 크기가 그래핀 산화물의 섬유 형성 과정에 영향을 미친다는 것을 보여줍니다.”라고 Gao는 말했습니다. “우리는 이 시스템을 계속 개발하기를 희망합니다. 우리는 우리의 디자인이 상용 배터리와 비슷해지기를 원합니다.”