최근 전기 자동차(EV) 및 에너지 저장 시스템(ESS)의 개발로 대규모 에너지 저장 장치에 대한 수요가 증가하고 있으며, 리튬이온전지는 높은 에너지 밀도로 인해 유망한 후보로 여겨지고 있다. 그러나 ...
최근 전기 자동차(EV) 및 에너지 저장 시스템(ESS)의 개발로 대규모 에너지 저장 장치에 대한 수요가 증가하고 있으며, 리튬이온전지는 높은 에너지 밀도로 인해 유망한 후보로 여겨지고 있다. 그러나 리튬 자원이 극소수 국가에 편재되어서 수급이 어려우며, 제한된 예비 용량과 급증하는 수요로 인해 가격이 급격한 증가를 보이고 있어 대규모 자원 수요에 부응하기에는 리튬 자원이 부족하다는 우려가 늘어나고 있다. 이에 대체할 소재로 소듐은 저렴한 비용과 전 세계적으로 고르게 분포되어 있어 대규모 에너지 저장 장치의 가능성을 제시하고 있다. 특히 적린(redphosphorus)은 높은 이론 용량으로 인해 리튬이온전지와 소듐이온전지 모두에서 가장 유망한 음극 소재 중 하나로 여겨져 왔다. 그러나 적린은 낮은 전자 전도성과 충·방전 동안의 산화·환원 반응으로 인해 Na3P의 합금화가 발생되어 부피 팽창 및 수축을 크게 야기하여 수명 특성이 낮다는 문제점이 있다. 본 연구에서는 적린의 전자 전도성 및 수명특성을 개선시키기 위해 여러 종류의 탄소를 사용하여 새로운 복합체를 제조하였다. 탄소는 가장 상용화된 소재 중에서 구조적 특성이 다른 슈퍼 피(super p), 케첸 블랙(ketjen black EC 600JD), 탄소 나노 튜브(carbon nanotube) 및 흑연(graphite)을 선정하였고, 복합체는 간단하고 단순한 기계적 볼 밀링을 통해 제조하였다. 그 중 슈퍼 피(super p)와 케첸 블랙(ketjen black EC 600JD))을 적린과 복합체로 제조하였을 때, 적린 표면에서 균일하게 존재함으로써 충·방전 과정 동안에 전자 전도도를 부여함과 동시에 입자의 분쇄를 억제하여 전도성 완충층(buffer layer)으로서의 역할을 하였다. 적린과 탄소간의 물리적 결합력을 증가시키기 위해서 적린 표면의 P2O5의 산화물을 제거하였고, 탄소와의 결합력이 증가함에 따라 부피 변화를 더 효과적으로 억제할 수 있었으며, 이로 인하여 수명특성은 및 용량 유지율이 34.8 % 이상으로 개선하였다. 또한 적린과 탄소를 이중 복합체로 형성하여 탄소의 종류 및 복합체 구조에 따른 성능에 대해 확인하였다. 이는 기존의 적린/탄소 복합체들에 비해 탄소 이중 복합체를 형성함으로써 케첸 블랙(ketjen black EC 600JD)의 높은 전자 전도성과 큰 비표면적으로 인해 소듐 이온의 확산 속도가 높아짐에 따라 전기화학적 반응이 가역적으로 발생하였다. 또한 사슬 구조인 슈퍼 피(super p)가 이중으로 코어-쉘(core-shell) 구조를 형성하면서 적린의 부피 변화와 낮은 전도성에 대한 문제점을 개선할 수 있음을 확인하였다. 또한 소디에이션(sodiation) 과정 중에 부피 팽창 및 수축의 변화를 최대한으로 완화시켜 활물질의 분쇄를 막아 사이클 성능이 개선됨을 확인하였다.
최근 전기 자동차(EV) 및 에너지 저장 시스템(ESS)의 개발로 대규모 에너지 저장 장치에 대한 수요가 증가하고 있으며, 리튬이온전지는 높은 에너지 밀도로 인해 유망한 후보로 여겨지고 있다. 그러나 리튬 자원이 극소수 국가에 편재되어서 수급이 어려우며, 제한된 예비 용량과 급증하는 수요로 인해 가격이 급격한 증가를 보이고 있어 대규모 자원 수요에 부응하기에는 리튬 자원이 부족하다는 우려가 늘어나고 있다. 이에 대체할 소재로 소듐은 저렴한 비용과 전 세계적으로 고르게 분포되어 있어 대규모 에너지 저장 장치의 가능성을 제시하고 있다. 특히 적린(red phosphorus)은 높은 이론 용량으로 인해 리튬이온전지와 소듐이온전지 모두에서 가장 유망한 음극 소재 중 하나로 여겨져 왔다. 그러나 적린은 낮은 전자 전도성과 충·방전 동안의 산화·환원 반응으로 인해 Na3P의 합금화가 발생되어 부피 팽창 및 수축을 크게 야기하여 수명 특성이 낮다는 문제점이 있다. 본 연구에서는 적린의 전자 전도성 및 수명특성을 개선시키기 위해 여러 종류의 탄소를 사용하여 새로운 복합체를 제조하였다. 탄소는 가장 상용화된 소재 중에서 구조적 특성이 다른 슈퍼 피(super p), 케첸 블랙(ketjen black EC 600JD), 탄소 나노 튜브(carbon nanotube) 및 흑연(graphite)을 선정하였고, 복합체는 간단하고 단순한 기계적 볼 밀링을 통해 제조하였다. 그 중 슈퍼 피(super p)와 케첸 블랙(ketjen black EC 600JD))을 적린과 복합체로 제조하였을 때, 적린 표면에서 균일하게 존재함으로써 충·방전 과정 동안에 전자 전도도를 부여함과 동시에 입자의 분쇄를 억제하여 전도성 완충층(buffer layer)으로서의 역할을 하였다. 적린과 탄소간의 물리적 결합력을 증가시키기 위해서 적린 표면의 P2O5의 산화물을 제거하였고, 탄소와의 결합력이 증가함에 따라 부피 변화를 더 효과적으로 억제할 수 있었으며, 이로 인하여 수명특성은 및 용량 유지율이 34.8 % 이상으로 개선하였다. 또한 적린과 탄소를 이중 복합체로 형성하여 탄소의 종류 및 복합체 구조에 따른 성능에 대해 확인하였다. 이는 기존의 적린/탄소 복합체들에 비해 탄소 이중 복합체를 형성함으로써 케첸 블랙(ketjen black EC 600JD)의 높은 전자 전도성과 큰 비표면적으로 인해 소듐 이온의 확산 속도가 높아짐에 따라 전기화학적 반응이 가역적으로 발생하였다. 또한 사슬 구조인 슈퍼 피(super p)가 이중으로 코어-쉘(core-shell) 구조를 형성하면서 적린의 부피 변화와 낮은 전도성에 대한 문제점을 개선할 수 있음을 확인하였다. 또한 소디에이션(sodiation) 과정 중에 부피 팽창 및 수축의 변화를 최대한으로 완화시켜 활물질의 분쇄를 막아 사이클 성능이 개선됨을 확인하였다.
Recently, the development of electric vehicles (EVs) and energy storage systems (ESS) has increased demand for large-scale energy storage devices, and lithium ion batteries are regarded as a promising candidate due to their high energy density. However, there is a growing concern that lithium resour...
Recently, the development of electric vehicles (EVs) and energy storage systems (ESS) has increased demand for large-scale energy storage devices, and lithium ion batteries are regarded as a promising candidate due to their high energy density. However, there is a growing concern that lithium resources are inadequate to meet the demand for large-scale resources, as lithium resources are unevenly distributed in a few countries, supply and demand are difficult, with limited reserve capacity and rapidly increasing demand. As an alternative, sodium is distributed at low cost and even around the world, suggesting the possibility of large-scale energy storage. In particular, red phosphorus has been regarded as one of the most promising anode materials in both lithium ion and sodium ion batteries due to its high theoretical capacity. However, there is a problem that low electron conductivity and oxidation/reduction reaction during charging/discharging of Na3P alloyed, resulting in large volume expansion, contraction and low lifetime characteristics. In this study, new composites were prepared by using various kinds of carbon in order to improve electron conductivity and lifetime characteristics of red phosphorus. Carbon was selected from among the most commercially available Super P (SP), Ketjen Black EC 600JD (KB), Carbon Nanotube (CNT) and Graphite (GR), which have different structural characteristics. The composites were prepared by mechanical ball milling. Among them, SP and KB are uniformly present on the surface of composites, which provide electron conductivity during charging and discharging, and as a conductive buffer layer. In order to increase the physical adhesion force between red phosphorus and carbon, the oxide of P2O5 on the surface was removed and the volume change was more effectively suppressed as the adhesion force with carbon was increased. As a result, the life characteristics and capacity retention rate with SP and KB were 34.8 %, respectively. In addition, it was confirmed that the carbon and carbon composites were formed as a double composites. The electrochemical reaction reversibly occurred as the diffusion rate of sodium ions increased due to: (i)the high electron conductivity and large specific surface area of KB that the formation of a carbon double complex compared to the conventional red phosphorus/carbon composites. (ii)The SP structure having a chain structure can double the core shell structure to improve the volume change and the low conductivity. The cycling performance was improved by suppressing the bulk expansion and contraction of the active material during the sodiation process, thereby preventing crushing of the active material.
Recently, the development of electric vehicles (EVs) and energy storage systems (ESS) has increased demand for large-scale energy storage devices, and lithium ion batteries are regarded as a promising candidate due to their high energy density. However, there is a growing concern that lithium resources are inadequate to meet the demand for large-scale resources, as lithium resources are unevenly distributed in a few countries, supply and demand are difficult, with limited reserve capacity and rapidly increasing demand. As an alternative, sodium is distributed at low cost and even around the world, suggesting the possibility of large-scale energy storage. In particular, red phosphorus has been regarded as one of the most promising anode materials in both lithium ion and sodium ion batteries due to its high theoretical capacity. However, there is a problem that low electron conductivity and oxidation/reduction reaction during charging/discharging of Na3P alloyed, resulting in large volume expansion, contraction and low lifetime characteristics. In this study, new composites were prepared by using various kinds of carbon in order to improve electron conductivity and lifetime characteristics of red phosphorus. Carbon was selected from among the most commercially available Super P (SP), Ketjen Black EC 600JD (KB), Carbon Nanotube (CNT) and Graphite (GR), which have different structural characteristics. The composites were prepared by mechanical ball milling. Among them, SP and KB are uniformly present on the surface of composites, which provide electron conductivity during charging and discharging, and as a conductive buffer layer. In order to increase the physical adhesion force between red phosphorus and carbon, the oxide of P2O5 on the surface was removed and the volume change was more effectively suppressed as the adhesion force with carbon was increased. As a result, the life characteristics and capacity retention rate with SP and KB were 34.8 %, respectively. In addition, it was confirmed that the carbon and carbon composites were formed as a double composites. The electrochemical reaction reversibly occurred as the diffusion rate of sodium ions increased due to: (i)the high electron conductivity and large specific surface area of KB that the formation of a carbon double complex compared to the conventional red phosphorus/carbon composites. (ii)The SP structure having a chain structure can double the core shell structure to improve the volume change and the low conductivity. The cycling performance was improved by suppressing the bulk expansion and contraction of the active material during the sodiation process, thereby preventing crushing of the active material.
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