1. 서론
단일층 그래핀 산화물 그래핀에서 유래된 2차원 탄소 나노소재인 SLGO는 리튬이온전지(라이브러리) 분야에서 폭넓은 주목을 받고 있습니다. SLGO는 독특한 구조와 우수한 물리화학적 특성(높은 전기 전도도, 넓은 비표면적, 풍부한 산소 함유 작용기)을 가지고 있어 기존 리튬이온전지 소재의 한계점을 해결할 수 있는 유망한 후보 물질입니다. 본 논문에서는 SLGO의 구조적 특성, 리튬이온전지 전극(양극 및 음극)에서의 응용, 전도성 첨가제, 안전성 향상, 그리고 제조 방법, 기술적 과제, 그리고 향후 개발 전망에 대해 체계적으로 검토합니다.
2. 단일층 그래핀 산화물의 고유한 특성
2.1 구조적 특징
SLGO는 육각형 격자로 배열된 단일 탄소 원자층으로 구성되며, 참조 결합 길이는 약 0.142nm입니다. SLGO의 대부분의 탄소 원자는 sp²-혼성화되어 평면 공액 구조를 형성하여 높은 전기 전도도에 기여합니다. 순수 그래핀과 달리, SLGO는 기저면과 가장자리에 풍부한 산소 함유 작용기(예: 히드록실(-오), 에폭시(-O-), 카르복실(-쿠오))를 가지고 있습니다. 이러한 작용기는 수용액 및 유기 용매에서 SLGO의 친수성과 분산성을 향상시킬 뿐만 아니라, 화학적 변형 및 복합재 제조를 위한 활성 부위를 제공합니다.
SLGO의 원자 배열은 성능에 직접적인 영향을 미칩니다. 육각형 격자 구조가 손상되지 않아 효율적인 전자 전달이 보장되고, 산소 함유 작용기는 다른 물질(예: 전극 활물질 및 전해질)과의 상호작용을 향상시킵니다. 그러나 과도한 산소 함유 작용기는 공액 구조를 파괴하여 전기 전도도를 저하시킬 수 있습니다. 따라서 SLGO의 산소 함량 및 분포를 정밀하게 제어하는 것은 리튬 이온 전지(라이브러리)에 적용하는 데 매우 중요합니다.
2.2 물리화학적 특성
높은 전기 전도도: SLGO의 sp²-공액 구조는 빠른 전자 전달을 가능하게 하며, 환원 후 최대 10⁴ S/m의 전기 전도도를 보이는데, 이는 기존 탄소 소재(예: 카본 블랙: ~10² S/m)보다 훨씬 높습니다.
넓은 비표면적: SLGO의 단일층 2D 구조는 이론적인 비표면적을 ~2630m²/g로 제공하여 리⁺ 흡착 및 저장을 위한 풍부한 공간을 제공합니다.
우수한 친수성: SLGO의 산소 함유 작용기는 SLGO를 물과 극성 유기 용매에 쉽게 분산시켜 복합 소재와 전극 슬러리를 제조하는 데 도움이 됩니다.
화학적 반응성: 산소를 함유하는 작용기(특히 -쿠오 및 -오)는 금속 이온, 폴리머 및 기타 기능성 분자와 반응하여 맞춤형 특성을 지닌 고급 복합 소재의 설계 및 합성이 가능합니다.
3. 리튬이온 배터리 양극소재 응용 연구
3.1 기존 양극재의 한계
리튬 철 인산화물(LiFePO₄), 리튬 코발트 산화물(리튬이온₂), 리튬 니켈 망간 코발트 산화물(LiNiₓMnᵧCo₁₋ₓ₋ᵧO₂, 엔씨엠)과 같은 기존 라이브러리 양극 소재는 성능을 제한하는 심각한 문제에 직면해 있습니다.
낮은 전기 전도도: 예를 들어, LiFePO₄의 전자 전도도는 10⁻⁹~10⁻¹⁰ S/cm에 불과하여 충전 및 방전 시 전자 전달이 심각하게 제한되어 속도 성능이 저하됩니다.
느린 리⁺ 확산 속도: 기존 양극(예: 리튬이온₂)의 밀도가 높은 결정 구조는 낮은 리⁺ 확산 계수(10⁻¹⁴~10⁻¹² 센티미터²/s)를 초래하여 높은 속도에서 상당한 분극을 일으킵니다.
사이클 안정성 문제: 사이클 중 구조적 저하(예: LiFePO₄의 상 전이)와 금속 이온 용해(예: 리튬이온₂의 주식회사³⁺)로 인해 용량이 감소합니다.
3.2 슬고 복합 양극의 시도와 성과
이러한 한계를 해결하기 위해 연구자들은 다양한 복합 전략을 통해 슬고 복합 양극 소재를 개발했으며, 이를 통해 양극의 전기 전도도, 리⁺ 확산 효율, 사이클 안정성이 크게 향상되었습니다.
3.2.1 반캡슐화 전략
반캡슐화 구조에서 슬고 시트는 양극 입자 표면에 부분적으로 부착되어 입자 사이에 "bridge"를 형성합니다. 이 구조는 전도성 네트워크를 구성하는 동시에 양극 결정 구조의 무결성을 유지합니다. 예를 들어, 수열법으로 제조된 LiFePO₄/슬고 복합재에서 슬고 시트는 LiFePO₄의 (010) 면(주요 리⁺ 확산 면)에 선택적으로 고정됩니다. 이는 복합재의 전자 전도도를 향상시킬 뿐만 아니라(10⁻¹⁰ S/cm에서 10⁻³ S/cm로) 리⁺ 확산 채널을 차단하지 않습니다. 10C 속도에서 복합재는 120 mAh/g의 비용량을 제공하며, 이는 순수 LiFePO₄(40 mAh/g)보다 3배 높습니다(장 et 알., 2020).
3.2.2 완전 캡슐화 전략
완전 캡슐화 전략은 개별 양극 입자 주위에 슬고 시트를 감싸 코어-쉘 구조를 형성하는 것입니다. 이 구조는 금속 이온 용해 및 구조적 열화를 효과적으로 억제할 수 있습니다. 정전기 자기조립법으로 제조된 리튬이온₂/슬고 복합재의 경우, 슬고 쉘(두께: ~5 nm)은 물리적 장벽 역할을 하여 주식회사³⁺가 전해질로 용해되는 것을 방지합니다. 1C에서 500회 사이클 후, 복합재의 용량 유지율은 85%로, 순수 리튬이온₂의 60%에 비해 훨씬 높습니다(왕 et 알., 2021). 또한, 슬고 쉘은 리튬이온₂의 전기 전도도를 향상시켜 0.5C에서 165 mAh/g의 비용량을 나타내며, 이는 순수 리튬이온₂보다 15% 더 높습니다.
3.2.3 초음파 혼합 전략
초음파 혼합은 슬고 복합 양극재를 제조하는 간단하고 확장 가능한 방법입니다. 고강도 초음파를 사용하면 슬고 시트를 양극 입자 사이에 균일하게 분산시켜 3차원 전도성 네트워크를 형성할 수 있습니다. 이 방법은 슬고 시트의 응집을 방지하고 SLGO와 양극 입자 사이의 양호한 접촉을 보장합니다. 초음파 혼합으로 제조된 리튬₀.8Mn₀.1Co₀.1O₂ (NCM811)/슬고 복합재에 대한 연구에 따르면, 이 복합재의 리⁺ 확산 계수는 5×10⁻¹¹ 센티미터²/s(순수 NCM811보다 2배 높음)였습니다. 5C 속도에서 이 복합재는 150 mAh/g의 비용량을 달성했으며, 200회 사이클 후 용량 유지율은 92%였습니다(리 et 알., 2022).
4. 리튬이온전지 음극소재 심층 연구
4.1 직접 양극 소재로서 SLGO의 과제와 혁신
SLGO는 넓은 비표면적과 높은 이론 리⁺ 저장 용량(LiC₆ 기준 ~744 mAh/g)을 가지고 있어 리튬이온전지(라이브러리)의 음극 소재로서 큰 잠재력을 가지고 있습니다. 그러나 SLGO를 음극 소재로 직접 사용하는 데에는 두 가지 주요 과제가 있습니다.
4.1.1 레이어 스태킹
슬고 시트 사이의 반데르발스 힘은 적층을 쉽게 유발하여 비표면적을 감소시키고 리⁺ 확산 채널을 차단하여 속도 특성 저하를 초래합니다. 예를 들어, 순수 슬고 음극은 비표면적이 약 500m²/g(이론치보다 훨씬 낮음)에 불과하며, 5C에서의 용량은 200mAh/g 미만입니다.
4.1.2 낮은 초기 쿨롱 효율
SLGO의 산소 함유 작용기는 첫 번째 충방전 사이클 동안 리⁺와 반응하여 고임피던스 고체 전해질 계면(세이) 층을 형성할 수 있습니다. 이로 인해 초기 쿨롱 효율이 낮아져(종종 60% 미만) 슬고 음극의 실제 적용이 제한됩니다.
이러한 문제를 해결하기 위해 연구자들은 다양한 수정 방법을 개발했습니다.
4.1.3 열팽창법
SLGO를 불활성 분위기(예: 아르)에서 800~1200°C로 가열하면 산소 함유 작용기가 기체 생성물(CO, CO₂, H₂O)로 분해되어 내부 압력이 발생하여 슬고 시트가 다공성 구조로 확장됩니다. 이 다공성 구조는 층 적층을 방지할 뿐만 아니라 비표면적을 증가시키고 더 많은 리⁺ 저장 사이트를 제공합니다. 리 et 알.(2021)의 연구에 따르면 열팽창된 슬고(티에이-슬고)의 비표면적이 1800m²/g이고 초기 쿨롱 효율이 85%로 증가했습니다(산소 함유 작용기의 감소로 인해). 1C 속도에서 티에이-SLGO는 650mAh/g의 가역 비용량을 제공했으며 200회 사이클 후 용량 유지율은 92%였습니다.
