Press release

2023. 8. 10 (목) 부터 보도해 주시기 바랍니다.

고체상 화합물로 안전하고 손쉽게 불화탄소 합성한다!

UNIST 백종범 교수팀, 테프론을 활용한 불화탄소 제조법 개발
흑연 대비 최대 10배 저장용량과 안정성 보여…Adv. Func. Mater. 게재

리튬 이온 배터리 음극의 성능과 안정성 그리고 환경까지 세 마리 토끼를 동시에 잡은 안전한 고체상 불소화반응 기술이 개발됐다.

UNIST(총장 이용훈) 에너지화학공학과 백종범 교수팀은 테프론(Teflon, PTFE)과 흑연을 반응시켜 불화탄소(Fluorinated carbon)를 안전하고 손쉽게 합성할 수 있는 방법을 개발했다. 기계화학의 대표적 반응 유도 방법인 볼밀링법(ball-milling)을 통해 흑연보다 2.5배 이상 우수한 저장용량과 전기화학적 안정성을 확인했다.

불화탄소를 제작하는데 필요한 불소가스(F2) 및 불산(HF) 등의 화합물은 높은 반응성과 부식성으로 매우 위험한 화합물. 신체를 마비시키거나 사망에 이를 수 있어 대용량 생산의 제조 설비 비용의 증가 원인이 된다.

연구팀은 안전하고 손쉬운 불소화 반응을 유도하기 위한 방법을 고안했다. 고체를 이용한 불소화 방법이다. 일상에서 흔히 사용되는 화합물 가운데 모든 원소가 불소로 이루어진 테프론은 대기 중에서 안정적이고, 먹어도 인체에 무해한 고분자화합물이다.

프라이팬의 코팅제로도 사용되는 테프론은 표면의 마찰력을 감소시키고 화학적으로 안정해서 일반적인 반응물로는 사용하지 않는다. 연구팀은 실험을 통해 테프론이 버틸 수 있는 힘보다 더 강한 에너지를 받으면 분자의 사슬이 끊어지면서 라디칼(radical) 형성반응이 일어나는 것을 확인했다. 이 과정에서 만들어진 분자복합체가 흑연과 반응해 표면과 가장자리에 붙게 되면서 불화탄소가 만들어지는 것을 다양한 분석법을 통해 증명했다.

고체상 반응으로 제조된 불화탄소는 흑연보다 우수한 저장용량과 전기화학적 안정성을 보였다. 50mA/g의 저속 충전 시 2.5배 높은 저장용량(951.6mAh/g)을 나타냈고, 10,000mA/g의 높은 충전 속도에서는 흑연보다 10배까지 높은 저장용량(329mAh/g)을 확인했다. 2,000mA/g의 충전 속도로 1,000회 이상의 충·방전 실험에서도 흑연은 43.8%의 성능을 유지한 반면 불화탄소는 76.6%의 성능을 유지했다.

제 1저자 장부재 에너지화학공학과 연구원은 “이번 연구는 안전한 불소화 반응이라는 주제로 실험을 진행했지만 사실 가장 중요하게 생각할 부분은 고체상 반응의 방향과 가능성을 제시한 것이다”며 “불화탄소는 이차전지 뿐 아니라 다양한 전자기기의 전극재료에도 응용 가능해 안전하고 손쉽게 대용량 생산이 가능하다”고 설명했다.

또한 백종범 에너지화학공학과 교수는 “주변에서 흔하게 보는 재료들에 대한 새로운 고찰을 할 수 있는 연구였다”며 “기계화학적 합성법은 최근 사이언스에서도 이슈가 될 정도로 주목받고 있는 분야이다. 고체상 반응에 대한 원리를 잘 규명한다면 기존에는 만들지 못했던 새로운 소재들을 개발할 수 있다”고 전했다.

이번 연구는 울산과학기술원 U-K 브랜드, 탄소중립 위원회 그리고 과학기술정보통신부·한국연구재단 리더연구 사업의 지원으로 수행됐다. 이번 연구 결과는 에너지·재료 분야 국제학술지 어드밴스드 펑셔널 머터리얼즈(Advanced Functional Materials)에 7월 27일 자로 온라인 게재됐다.

(논문명: Direct Synthesis of Fluorinated Carbon Materials via a Solid-State Mechanochemical Reaction Between Graphite and PTFE)
자료문의

대외협력팀: 서진혁 팀장, 우종민 담당 (052)217-1232

에너지화학공학과: 백종범 교수 (052)217-2510
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  • [연구그림1] 기계화학적 볼 밀링을 통한 불화탄소 제조 과정
  • [연구그림2] 제조된 불화탄소로 리튬 이온 배터리 음극 성능 평가를 실시함
  • [연구그림3] 실제 기계화학적 볼밀링 공정을 통해 제조된 불화탄소 물질
 

[붙임] 연구결과 개요
1. 연구배경

불소화 탄소는 탄소 단일 결합 중에서 가장 강한 공유 결합인 C-F결합의 안정적인 특성 때문에 많은 주목을 받아왔다. 불소화 탄소는 흑연보다 최대 2.3배 이상 높은 이론용량과 강한 결합 에너지로 인해 흑연 전극보다 우수한 전기화학적 안정성을 가진 물질이다. 하지만 이러한 장점에도 불구하고 불소화 탄소를 제조하기 위해서 사용되는 불소화제는 높은 부식성과 독성을 가진 고위험군의 화합물로써 상용화를 위한 대용량의 불소화제 사용은 높은 사고 위험성과 사고 방지를 위한 안전 설비 비용의 증가를 야기시킨다. 기계화학적 불소화 반응은 기존 열화학, 광화학, 전기화학 등과 같은 전통적인 화학 접근법의 대안으로 관심을 받는 분야이다. 운동에너지를 활용하여 화학 반응을 일으키고 기존 화학에서 실현되지 않는 새로운 반응 경로를 제공할 수 있다. 우리는 이러한 기계화학적 접근법을 통해 안전하고 손쉬운 고부가가치 에너지 재료의 생산기술 개발을 통해 대용량 생산의 확장 가능성을 높이고자 한다.
2. 연구내용

기존 불소화 탄소의 제조는 불소가스 혹은 불산을 탄소 전구체와 함께 열처리를 하거나 불소원자를 포함한 가스를 이온화시켜 플라즈마 빔을 이용하여 제조해왔다. 본 연구는 기계화학적 합성법을 도입하여 볼밀링 방법으로 테프론과 흑연을 섞어 불소화탄소를 제조하는 기술이다. 테프론은 일상에서 흔하게 사용되는 선형고분자 중의 하나로써 주 탄소사슬의 작용기가 모두 불소화 되어 있는 물질이다. 테프론은 물리적, 화학적으로 매우 안정한 물질 중의 하나로써 인체에 노출되거나 심지어 섭취를 하여도 높은 내화학성으로 인해 인체에 무해한 물질로 분류된다. 고체상 반응을 이용한 기계화학적 불소화는 전처리, 열처리 뿐만 아니라 유기용매를 사용하지 않기 때문에 친환경적인 생산 기술이며 테프론에 의해 불소화된 탄소는 리튬 이온 배터리의 음극 성능 평가에서 높은 저장 용량과 우수한 안정성 및 고속 충방전 성능 평가에서도 높은 저장 성능을 나타냈다.
3. 기대효과

기계화학적 고체 불소화 탄소 제조기술은 기존 열처리 혹은 플라즈마를 이용한 불소화방식에서 문제되는 불소화제의 독성에 의한 위험성을 완전히 제거한 생산 기술이다. 공정의 단순화와 낮은 위험성은 대용량 생산 가능성과 비용을 획기적으로 낮출 수 있는 핵심기술로써 기존 흑연을 대체 할 수 있는 새로운 에너지 재료의 대용량 생산 가능성을 제시할 수 있다. 또한 고체상 반응 연구는 전통적인 화학적 방법으로 생산할 수 없었던 기능성 재료의 개발 가능성을 높일 것으로 예상된다.
 

[붙임] 용어설명
1. 볼밀링 (Ball-milling)

기계화학의 대표적 반응방법 중 하나로 반응기 내부에 3~50mm 사이 직경의 볼(ball)들을 넣고 재료를 분쇄하거나 혼합하는 분쇄기 유형. 반응기의 회전을 통해 강력한 운동에너지를 발생시켜 반응을 유도함.
2. 불소화제 (Fluorinating agents)

불소 음이온이 반응 활성종으로 작용하여 반응물의 산화제로 작용하는 불소화합물.
3. 불화탄소 (Fluorinated carbon)

탄소 – 불소 결합을 가진 화합물을 총칭하는 용어
4. 올리고머 (Oligomer)

단량체로 구성된 반복단위가 10~20개 미만인 소규모 중합체를 이르는 용어.
5. 라디칼 (radical)

분자 혹은 원자의 전자가 홀전자를 가진 형태를 의미함. 원자 혹은 분자들은 공유결합시 1쌍 (2개의 전자)의 전자를 통해 결합을 형성하는데 홀전자는 전자 1개만 표면에 노출되있는 상태로 반응성이 크게 증가한 특성을 지님.
 

[붙임] 그림설명

그림1. 기계화학적 볼 밀링을 통한 불화탄소 제조 과정.

고체상 불소화 반응을 위해 테프론과 흑연을 반응기에 넣고 10시간 동안 최적화된 조건에서 구동시켜 불화탄소를 제조할 수 있음 (주황색 점선 네모). 기계화학적 불소화를 검증하기 위해 회전속도를 낮춰서 화학적 반응을 일부러 유도하지 않은 샘플을 비교군 (푸른색 점선 네모)으로 제조하여 불소화 여부를 비교 검증함.

그림2. 제조된 불화탄소로 리튬 이온 배터리 음극 성능 평가를 실시함.

고체상 불소화 반응을 통해 제조된 불화탄소를 리튬 이온 배터리 음극에 응용하여 다양한 전류 속도하에서 성능 테스트를 진행함. 0.05 A/g에서 951.6 mAh/g 의 저장 성능을 나타냈으며, 10 A/g 의 높은 전류밀도에서도 323 mAh/g 에 가까운 성능을 유지함.

그림3. 실제 기계화학적 볼밀링 공정을 통해 제조된 불화탄소 물질.

최적화된 조건을 찾기 위해 다양한 함량의 테프론 파우더를 흑연과 반응시킴. 바이알에 담긴 물질은 모두 동일한 질량 (400mg)을 가지고 있음. 테프론 함량이 20%일 때 부피가 최고로 증가하였으며 25%부터 다시 부피가 감소함. 높은 테프론 함량은 반응기 표면에 두껍게 코팅이 되기 때문에 화학반응이 잘 발생하지 않음을 나타냄.
 
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