[논문]K-Birnessite를 이용한 Li-Mn Spinel 나노입자 합성 및 전기화학적 특성 평가

김준일; 이재원; 박선민; 노광철; 선양국

K-Birnessite를 이용한 Li-Mn Spinel 나노입자 합성 및 전기화학적 특성 평가
Hydrothermal Synthesis of Li-Mn Spinel Nanoparticle from K-Birnessite and Its Electrochemical Characteristics 원문보기

공업화학 = Applied chemistry for engineering, v.21 no.5, 2010년, pp.590 - 592

김준일 (한국세라믹기술원) , 이재원 (한국세라믹기술원) , 박선민 (한국세라믹기술원) , 노광철 (한국세라믹기술원) , 선양국 (한양대학교)

초록
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본 연구에서는 리튬 2차 전지의 양극물질 중 하나인 Li-Mn spinel ($LiMn_2O_4$)을 합성하기 위해 전구체로 K-Birnessite ($K_xMnO_2{\cdot}{yH_2O}$)를 이용하였다. K-Birnessite는 과망간산칼륨[$KMnO_4$]과 우레아[$CO(NH_2)_2$]를 사용하여 수열합성법으로 합성하였고, K-Birnessite와 LiOH를 수열 반응시켜 Li-Mn spinel 나노입자를 제조하였다. 리튬함량에 따른 Li-Mn spinel 의 구조 및 형상 변화와 전기화학적 특성에 대한 경향성을 알아보기 위해 LiOH와 K-Birnessite의 몰 비를 조절하여 Li-Mn spinel를 합성하였다. 합성된 분말은 X-ray diffraction (XRD), field emission scanning electron microscopy (FE-SEM), energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDS), thermogravimetry (TG)를 이용하여 물질의 구조 및 형상을 분석하였고, 정전류법으로 양극재의 용량과 율 특성을 비교 분석하였다. 그 결과 LiOH/K-Birnessite의 몰 비가 0.8일 때 가장 큰 용량($117\;mAhg^{-1}$)을 나타냈고, 몰 비가 증가할수록 Li-Mn spinel 중 리튬함량이 증가하여 용량은 감소하였으나, 입자크기는 작아져서 율 특성은 점점 향상되는 경향을 보였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Li-Mn spinel ($LiMn_2O_4$) is prepared by a hydrothermal process with K-Birnessite ($KMnO_4{\cdot}yH_2O$) as a precursor. The K-Birnessite obtained via a hydrothermal process with potassium permanganate [$KMnO_4$] and urea [$CO(NH_2)_2$] as starting materials are converted to Li-Mn spinel nanoparticles reacting with LiOH. The molar ratio of LiOH/K-Birnessite is adjusted in order to find the effect of the ratio on the structural, morphological and electrochemical performances of the Li-Mn spinel. X-ray diffraction (XRD) and field emission scanning electron microscopy (FE-SEM), energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDS), and thermogravimetry (TG) are used to investigate the crystal structure and morphology of the samples. Galvanostatic charge and discharge are carried out to measure the capacity and rate capability of the Li-Mn spinel. The capacity shows a maximum value of $117\;mAhg^{-1}$ when the molar ratio of LiOH/K-Birnessite is 0.8 and decreases with the increase of the ratio. However the rate capability is improved with the increase of the ratio due to the reduction of the particle size.

주제어

AI 본문요약
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제안 방법

2차 수열합성은 LiOH/K-Birnessite의 몰 비를 0.5, 0.8, 0.9, 1.0, 1.2, 2.0으로 조절하여 실시하였다. 이 때 얻어진 물질은 XRD분석 결과 Figure 2(A)에서 볼 수 있듯이 대부분이 Li-Mn spinel로 나타났다.
Gao 등의 합성방법을 변형하여 K-Birnessite를 제조하였다[4]. 증류수 70 mL에 0.
Li-Mn spinel의 전구체로 침상구조의 K-Birnessite를 이용하여 수열합성을 통해 Li-Mn spinel 나노입자를 합성하였다. 이 때, LiOH/K-Birnessite의 몰 비가 0.
그리고 합성된 분말을 증류수로 세척한 후 불순물을 제거한 다음 70 ℃에서 8 h 동안 건조하여 K-Birnessite를 합성하였다. 리튬 함량에 따른 Li-Mn spinel의 구조 및 형상변화와 전기화학적 특성변화를 알아보기 위해 LiOH/K-Birnessite의 몰 비를 0.5에서 2.0까지 조절하면서 200 ℃에서 96 h 동안 2차 수열합성을 실시하였다. 합성된 분말은 동일한 방법 및 조건으로 세척과 건조를 하였고, XRD (Rigaku, D/Max-2500/PC, Japan), FE-SEM & EDS (Hitachi, S-800, Japan) 및 TG (Netzsch, TG209, Germany)를 통해서 물질의 구조 및 형상을 파악하였다.
본 연구에서는 MnO₆팔면체 사이에 K⁺이온이 들어있는 침상구조의 K-Birnessite를 합성하였고, 이를 전구체로 사용하여 수열반응으로 Li⁺과 K⁺간의 이온 교환을 통해 Li-Mn spinel 나노입자를 합성하였다.
합성된 분말은 동일한 방법 및 조건으로 세척과 건조를 하였고, XRD (Rigaku, D/Max-2500/PC, Japan), FE-SEM & EDS (Hitachi, S-800, Japan) 및 TG (Netzsch, TG209, Germany)를 통해서 물질의 구조 및 형상을 파악하였다. 전기화학적 특성평가를 위해 활물질과 도전재(Super-P) 및 바인더(PVdF)의 비율을 80 : 10 : 10로 하여 전극을 제조하였다. 제조한 전극은 코인셀(CR-2016)타입의 반전지로 구성하여 정전류법으로 3.
전기화학적 특성평가를 위해 활물질과 도전재(Super-P) 및 바인더(PVdF)의 비율을 80 : 10 : 10로 하여 전극을 제조하였다. 제조한 전극은 코인셀(CR-2016)타입의 반전지로 구성하여 정전류법으로 3.0 V에서 4.3 V까지 충방전을 통해 전기화학적 특성을 평가하였다. 이 때 음극은 Li-metal, 전해액은 1.
합성된 분말은 동일한 방법 및 조건으로 세척과 건조를 하였고, XRD (Rigaku, D/Max-2500/PC, Japan), FE-SEM & EDS (Hitachi, S-800, Japan) 및 TG (Netzsch, TG209, Germany)를 통해서 물질의 구조 및 형상을 파악하였다.

대상 데이터

3 V까지 충방전을 통해 전기화학적 특성을 평가하였다. 이 때 음극은 Li-metal, 전해액은 1.0 M LiPF₆ (EC/EMC, 1/2 vol%) (Cheil Ind., Korea)를 사용하였다.

성능/효과

이로부터 K⁺∼Li⁺ 이온 교환 및 Li-Mn spinel 형성과정에서 침상 형태의 모폴로지가 붕괴되는 것을 알 수 있다. 그리고 LiOH/K-Birnessite의 비율이 증가할수록 조대한 정팔면체 모양의 결정들이 사라지고 점점 입자크기가 작아지는 현상을 보였다.
이러한 결과들을 종합해 볼 때 합성된 K-Birnessite의 조성은 K0.09MnO2⋅0.3H2O임을 확인할 수 있었다.
8 이상에서 순수한 Li-Mn spinel을 얻을 수 있었다. 합성된 Li-Mn spinel의 전기화학적 특성을 측정한 결과 LiOH/K-Birnesstie가 0.8일 때 가장 높은 용량(117 mAhg^-1)을 나타내었고. LiOH/K-Birnessite의 비율이 증가할수록 용량은 감소하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	Li-Mn spinel의 합성은 무엇을 이용하는가?	Li-Mn spinel은 환경 친화적이고, 망간의 자원이 풍부하여 값이 저렴할 뿐만 아니라 좋은 율 특성을 가지고 있어서 LiFePO4와 함께 하이브리드 전기자동차용 리튬 2차 전지의 양극재로서 관심을 받고 있다. Li-Mn spinel의 합성은 주로 고상법[1,2]을 이용하는데, 최근에는 전구체로 MnO2를 이용하여 수열합성법을 통해 나노입자 Li-Mn spinel를 합성하는 연구가 보고되었다[3].
	Li-Mn spinel은 어떤 특성을 갖고 있는가?	Li-Mn spinel은 환경 친화적이고, 망간의 자원이 풍부하여 값이 저렴할 뿐만 아니라 좋은 율 특성을 가지고 있어서 LiFePO4와 함께 하이브리드 전기자동차용 리튬 2차 전지의 양극재로서 관심을 받고 있다. Li-Mn spinel의 합성은 주로 고상법[1,2]을 이용하는데, 최근에는 전구체로 MnO2를 이용하여 수열합성법을 통해 나노입자 Li-Mn spinel를 합성하는 연구가 보고되었다[3].
	전기화학적 특성평가를 위해 사용한 음극과 전해액은 무엇인가?	3 V까지 충방전을 통해 전기화학적 특성을 평가하였다. 이 때 음극은 Li-metal, 전해액은 1.0 M LiPF6 (EC/EMC, 1/2 vol%) (Cheil Ind., Korea)를 사용하였다.

참고문헌 (7)

L. Tao, Q. Weihua, Z. Hailei, and L. Jingjing, Mater. Lett., 60, 1251 (2006).

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L. Tain and A. Yuan, J. Power Sources, 192, 693 (2009).

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L, H. Jiang, J. Power Sources, 172, 401 (2007).
L. Gao, L. Fei, and H. Zheng, Mater. Lett., 61, 1785 (2007).

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H. T. Zhu, J. Luo, H. X. Yang, J. K. Liang, G. H. Rao, J. B. Li, and Z. M. Du, J. Phys. Chem. C, 112, 17089 (2008).

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Y.-S. Lee, Y.-K. Sun, and K.-S. Nahm, Solid State Ionics, 109, 285 (1998).

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C.-H. Lu and S.-W. Lin, J. Power Sources, 97, 458 (2001).

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