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소형 모바일기기의 전원장치로서 각광받고 있는 리튬이온전지는 그 적용범위가 전기자동차 뿐만 아니라 신재생에너지의 에너지 저장장치로 범위가 넓어져 가고 있다. 하지만, 기존의 리튬 이차전지의 음극 소재로 주로 사용되고 있는 graphite는 ...

소형 모바일기기의 전원장치로서 각광받고 있는 리튬이온전지는 그 적용범위가 전기자동차 뿐만 아니라 신재생에너지의 에너지 저장장치로 범위가 넓어져 가고 있다. 하지만, 기존의 리튬 이차전지의 음극 소재로 주로 사용되고 있는 graphite는 insertion(or intercalation) 메커니즘을 통하여 충전과 방전이 진행되며 단위 구조당 하나의 Li+이온을 저장되어 낮은 이론용량(372 mAhg-1)을 가진다. 리튬이온전지의 에너지 밀도를 향상시키기 위하여 새로운 고용량 음극 소재의 개발이 요구되고 있다. 그 중에서 전이금속산화물은 높은 이론용량을 가지며 친환경적일 뿐만 아니라 밀도가 높은 장점을 가지고 있다. 전이금속 산화물 중에서 망간 산화물은 현재 상용화된 graphite를 이용한 음극 소재보다 2~3배 높은 이론 용량을 가지고 있으며 매장량이 풍부하여 소재의 가격이 싸고 Li+ 저장 전위가 다른 전이금속산화물보다 낮은 장점이 있다. 따라서 ESS(Energy Storage System)와 같은 대용량 에너지 저장장치의 소재로서 사용되기에 적합하다. 그러나 망간 산화물은 낮은 전기 전도성과 충전/방전 시 수반되는 부피 팽창으로 인한 전극 파쇄 등의 문제로 수명단축의 문제점이 있어 이를 개선하기 위한 방안이 요구된다. 본 연구에서는 상기의 문제점을 해결하기 위한 방법으로 다공성 탄소 기공 내부에서 망간산화물 나노입자를 직접 형성시키는 방법으로 복합체를 제조하였다. 다공성 탄소와 망간산화물 나노입자의 복합체를 형성함으로서 전기적 네트워크를 구성하여 망간산화물의 낮은 전기 전도도를 극복하고자 하였으며, 전극 제조를 위한 고접착 바인더 선정 및 전해액 첨가제 도입을 통하여 수명특성을 개선하고자 하였다. 복합체들의 물리·화학적 특성을 TEM/XRD/BET/SEM 등의 분석을 통하여 조사하고, 전기화학적 특성을 충방전 사이클, 전류밀도 변화 및 EIS 시험을 통하여 분석/연구하였다. MnOx/MCF 복합체의 전기화학적 분석결과 접합제로서 PVA를 사용한 경우 첫 번째 사이클의 방전과 충전 용량은 각각 1152 mAh·g-1, 674 mAh·g-1으로 나타났으며 PVdF를 사용한 경우보다 높은 용량과 향상된 사이클 안정성을 보였다. 그러나 장기 사이클 안정성을 보이지 못하여 전해액 첨가제로서 FEC를 사용한 결과, 약 100번째 사이클까지 평균 700 mAh·g-1의 용량을 안정적으로 유지하였다. MnOx/MCM 복합체의 EIS 분석결과 표면장력이 낮은 THF를 용매로 사용하여 함침을 진행한 전극의 경우 Rct값이 200 Ω으로 H2O를 사용한 경우(380 Ω)보다 낮게 나타났으며 비용량은 600 ~ 700 mAh·g-1으로 안정적인 사이클 성능을 보였다. 이는 낮은 표면장력으로 인하여 기공내부로 전구체 용액이 고르게 확산되어 MCM 기공 내부에서 망간산화물이 균일하게 형성되어 나타난 결과이며, 이로 인하여 MnOx/MCM 복합체의 충/방전 kinetic이 향상되었음을 알 수 있다.

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