Lithium–oxygen ($Li–O_2$) batteries are attracting attention around the world as next generation batteries due to their very high energy density. However, there is a challenge that discharge/charge overpotential is large in practical application. In this work, as a cathode, the high monodisperse platinum hole-cylinder nanoparticles (Pt-HCNPs) fabricated by the top-down method dispersed on graphene nanoplatelets (GNP) enhanced the activity in both oxygen reduction reaction (ORR) and oxygen evolution reaction (OER), dramatically reducing the overpotential. During the discharge, amorphous $Li_2O_2$ with nanoflake morphology that facilitates formation and decomposition was found. This unique $Li_2O_2$ formation process is suggested as a cause of the reduction mechanism that occurs through the numerous catalytic active sites provided by hole-cylinder morphology and small grain size. These findings suggest a new strategy for the fabrication of catalysts for $Li-O_2$ batteries with high performance through a top-down method called secondary sputtering lithography.
리튬 공기 이차전지는 큰 에너지 밀도를 갖고 있어 차세대 배터리로 전 세계의 주목을 받고 있다. 하지만 이러한 리튬 공기 전지를 실질적으로 활용하는 데 있어 충·방전 시 형성하는 과전압이 높다는 문제점이 있다. 본 연구는 하향식 방법으로 제작된 중공 기둥형 백금 나노 입자를 촉매로 그래핀 나노플레이트렛(graphene nanoplatelets) 위에 분산하여 환원전극으로 사용하였고, 이는 과전압을 감소시키며 산소 환원 반응과 산소 발생 반응 양쪽 모두에서 우수한 촉매 활성을 보여주었다. 또한, 방전 생성물로 생성과 분해가 용이한 나노 조각 형태를 가진 비정질 리튬 과산화물($Li_2O_2$)이 발견되었다. 촉매는 중공 기둥형 형태와 미세한 결정립을 갖는 특성으로 무수히 많은 촉매 활성점을 제공하고, 이로 인해 일어나는 환원 반응기구로 독특한 특성을 갖는 리튬 과산화물($Li_2O_2$)의 생성과정을 설명한다. 이러한 발견은 리튬 공기 이차전지용 촉매를 이차 스퍼터링 리소그래피(secondary sputtering lithography)라는 하향식 방법으로 제작하는 새로운 전략을 제시한다.
