고출력 리튬이온 이차전지의 음극재의 개발을 위해 천연흑연, 인조흑연, 코크스, 석유계 피치를 이용하였고, 초기효율 및 가역용량, 출력특성의 향상을 위해 혼합비와 처리 조건을 다르게 해서 탄소계 복합재를 제조 탄소 복합재를 제조하였다. 기초 연구로서 천연흑연 및 인조흑연, 석유계 피치, 코크스의 기본 물성을 분석하였으며, 충·방전 테스트를 진행하여 전기화학적 특성을 분석하였다. 다음으로 고출력용으로 이용 가능한 음극재 개발을 위해 기본 재료의 혼합비율 및 열처리 조건을 변화시켜 석유계피치/코크스, 인조흑연/코크스, 석유계피치/코크스/천연·인조흑연 복합재를 제조한 후 half cell을 조립하여 충·방전 테스트를 진행하였다.
천연·인조흑연은 가역용량이 높으며 C-rate에 따른 출력특성이 좋지만 정전류법으로 ...
고출력 리튬이온 이차전지의 음극재의 개발을 위해 천연흑연, 인조흑연, 코크스, 석유계 피치를 이용하였고, 초기효율 및 가역용량, 출력특성의 향상을 위해 혼합비와 처리 조건을 다르게 해서 탄소계 복합재를 제조 탄소 복합재를 제조하였다. 기초 연구로서 천연흑연 및 인조흑연, 석유계 피치, 코크스의 기본 물성을 분석하였으며, 충·방전 테스트를 진행하여 전기화학적 특성을 분석하였다. 다음으로 고출력용으로 이용 가능한 음극재 개발을 위해 기본 재료의 혼합비율 및 열처리 조건을 변화시켜 석유계피치/코크스, 인조흑연/코크스, 석유계피치/코크스/천연·인조흑연 복합재를 제조한 후 half cell을 조립하여 충·방전 테스트를 진행하였다.
천연·인조흑연은 가역용량이 높으며 C-rate에 따른 출력특성이 좋지만 정전류법으로 급속 충전 시 충전량이 매우 적고, 충전과 방전 모두 stage거동에 따른 리튬이 흑연 층간에 삽입되어 평탄전위가 생기는 것을 알 수 있다. 코크스는 가역용량이 낮지만 stage 거동 없이 완만한 경사를 나타내고 있고, 석유계 피치는 많은 리튬을 저장할 수 있지만 난층구조와 수소관능기에 의해 비가역용량이 많아 출력특성이 많이 떨어진다. 석유계 피치의 열처리 온도를 증가시키면 난층구조와 수소결합이 감소하여 결정성이 좋아져 방전출력을 향상시킬 수 있지만 가역용량은 감소하였다. 코크스/흑연 복합재에서 흑연의 함량이 20%와 30%의 경우 거의 평탄전위가 나타나지 않았지만 40%부터는 평탄전위가 확연히 나타났다. 탄소계 복합재에서 석유계 피치/코크스/천연·인조흑연의 혼합비율이 같을 때 천연흑연 복합재가 인조흑연 복합재보다 가역용량은 크지만, 초기효율 및 출력특성이 낮게 나왔다.
천연흑연 복합재를 제조하여 열처리온도를 증가시켰을 때, 초기가역용량은 감소하지만, 출력특성은 향상되었다. 이것은 석유계피치의 열처리 온도에 따른 변화와 같은 것으로 복합재에 혼합되어 있는 석유계피치에 의한 것으로 판단된다. 또한, 천연흑연 복합재의 경우 열처리 온도를 증가시키면 초기효율이 증가추세를 보이지만 인조흑연 복합재의 경우는 이와 반대로 감소추세를 보였다. 천연흑연 복합재 중에서 석유계피치와 코크스의 함량이 1:4이며, 천연흑연의 함량이 20%, 열처리 온도가 1000℃ 인 PC14-NG20-1000C가 초기가역용량 276 mAh/g, 10 C에서의 출력특성은 87%, 5 C-rate의 충전용량이 65 mAh/g으로 상대적으로 우수한 고출력 전지특성을 나타내었다.
고출력 리튬이온 이차전지의 음극재의 개발을 위해 천연흑연, 인조흑연, 코크스, 석유계 피치를 이용하였고, 초기효율 및 가역용량, 출력특성의 향상을 위해 혼합비와 처리 조건을 다르게 해서 탄소계 복합재를 제조 탄소 복합재를 제조하였다. 기초 연구로서 천연흑연 및 인조흑연, 석유계 피치, 코크스의 기본 물성을 분석하였으며, 충·방전 테스트를 진행하여 전기화학적 특성을 분석하였다. 다음으로 고출력용으로 이용 가능한 음극재 개발을 위해 기본 재료의 혼합비율 및 열처리 조건을 변화시켜 석유계피치/코크스, 인조흑연/코크스, 석유계피치/코크스/천연·인조흑연 복합재를 제조한 후 half cell을 조립하여 충·방전 테스트를 진행하였다.
천연·인조흑연은 가역용량이 높으며 C-rate에 따른 출력특성이 좋지만 정전류법으로 급속 충전 시 충전량이 매우 적고, 충전과 방전 모두 stage거동에 따른 리튬이 흑연 층간에 삽입되어 평탄전위가 생기는 것을 알 수 있다. 코크스는 가역용량이 낮지만 stage 거동 없이 완만한 경사를 나타내고 있고, 석유계 피치는 많은 리튬을 저장할 수 있지만 난층구조와 수소관능기에 의해 비가역용량이 많아 출력특성이 많이 떨어진다. 석유계 피치의 열처리 온도를 증가시키면 난층구조와 수소결합이 감소하여 결정성이 좋아져 방전출력을 향상시킬 수 있지만 가역용량은 감소하였다. 코크스/흑연 복합재에서 흑연의 함량이 20%와 30%의 경우 거의 평탄전위가 나타나지 않았지만 40%부터는 평탄전위가 확연히 나타났다. 탄소계 복합재에서 석유계 피치/코크스/천연·인조흑연의 혼합비율이 같을 때 천연흑연 복합재가 인조흑연 복합재보다 가역용량은 크지만, 초기효율 및 출력특성이 낮게 나왔다.
천연흑연 복합재를 제조하여 열처리온도를 증가시켰을 때, 초기가역용량은 감소하지만, 출력특성은 향상되었다. 이것은 석유계피치의 열처리 온도에 따른 변화와 같은 것으로 복합재에 혼합되어 있는 석유계피치에 의한 것으로 판단된다. 또한, 천연흑연 복합재의 경우 열처리 온도를 증가시키면 초기효율이 증가추세를 보이지만 인조흑연 복합재의 경우는 이와 반대로 감소추세를 보였다. 천연흑연 복합재 중에서 석유계피치와 코크스의 함량이 1:4이며, 천연흑연의 함량이 20%, 열처리 온도가 1000℃ 인 PC14-NG20-1000C가 초기가역용량 276 mAh/g, 10 C에서의 출력특성은 87%, 5 C-rate의 충전용량이 65 mAh/g으로 상대적으로 우수한 고출력 전지특성을 나타내었다.
Anode materials with high rate capability for Li ion secondary batteries were investigated by using the composite of various carbon materials such as natural or artificial graphite, cokes, and petroleum pitch. In order to improve the electrochemical properties of existing coke type of carbon anode s...
Anode materials with high rate capability for Li ion secondary batteries were investigated by using the composite of various carbon materials such as natural or artificial graphite, cokes, and petroleum pitch. In order to improve the electrochemical properties of existing coke type of carbon anode such as discharge capacity and initial efficiency, the mixture ratio of these three raw materials and the heat treatment temperature were changed. The graphite contents in the composites varied from 20 to 50 wt.% and the remaining content of petroleum pitch/cokes mixtures at 1:4, 1:1, and 4:1 mass ratios were heat treated at a temperature range of 800-1200℃. Since obvious potential plateaus were obtained for the composites with the graphite content above 30 wt.% and the high rate capability was declined with high contents of petroleum pitch, the contents of graphite in the composites were determined at 20~30 wt.% and the ratio of petroleum pitch/cokes mixture was fixed at at 1:4.
The carbonaceous composites containing of 30 wt.% artificial graphite with the heat treatment at 800℃ showed relatively high electrochemical properties, while the carbonaceous composites containing of 30 wt.% natural graphite with the heat treatment at 1,000℃ showed relatively high electrochemical properties. When the artificial graphite was replaced with natural graphite in the composites with the same mixing ratio and heat treatment condition, the discharge capacity was improved but high rate capability and initial efficiency were declined.
Anode materials with high rate capability for Li ion secondary batteries were investigated by using the composite of various carbon materials such as natural or artificial graphite, cokes, and petroleum pitch. In order to improve the electrochemical properties of existing coke type of carbon anode such as discharge capacity and initial efficiency, the mixture ratio of these three raw materials and the heat treatment temperature were changed. The graphite contents in the composites varied from 20 to 50 wt.% and the remaining content of petroleum pitch/cokes mixtures at 1:4, 1:1, and 4:1 mass ratios were heat treated at a temperature range of 800-1200℃. Since obvious potential plateaus were obtained for the composites with the graphite content above 30 wt.% and the high rate capability was declined with high contents of petroleum pitch, the contents of graphite in the composites were determined at 20~30 wt.% and the ratio of petroleum pitch/cokes mixture was fixed at at 1:4.
The carbonaceous composites containing of 30 wt.% artificial graphite with the heat treatment at 800℃ showed relatively high electrochemical properties, while the carbonaceous composites containing of 30 wt.% natural graphite with the heat treatment at 1,000℃ showed relatively high electrochemical properties. When the artificial graphite was replaced with natural graphite in the composites with the same mixing ratio and heat treatment condition, the discharge capacity was improved but high rate capability and initial efficiency were declined.
주제어
#carbon anode
#graphite-cokes composites
#high power Li-ion secondary battery
학위논문 정보
저자
두승균
학위수여기관
명지대학교 대학원
학위구분
국내석사
학과
나노공학과
발행연도
2010
총페이지
vii, 65 p.
키워드
carbon anode,
graphite-cokes composites,
high power Li-ion secondary battery
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