리튬 이온 배터리의 음극 활물질 Cu2O는 리튬 이온 배터리의 전기화학적 과정 중에 conversion 반응 (반응식 : Cu2O + 2Li+ + 2e- → 2Cu + Li2O)을 하는 물질로 사이클 동안의 전극의 구조 변화가 발생하고 이는 전기화학적 성능의 급격한 악화를 야기한다. 그러므로 리튬 이온 배터리의 음극 활물질로서 Cu2O의 성능 저하를 극복하기 위해, 전극 합성 과정 중 고분자를 첨가함으로써 구조 제어된 ...
리튬 이온 배터리의 음극 활물질 Cu2O는 리튬 이온 배터리의 전기화학적 과정 중에 conversion 반응 (반응식 : Cu2O + 2Li+ + 2e- → 2Cu + Li2O)을 하는 물질로 사이클 동안의 전극의 구조 변화가 발생하고 이는 전기화학적 성능의 급격한 악화를 야기한다. 그러므로 리튬 이온 배터리의 음극 활물질로서 Cu2O의 성능 저하를 극복하기 위해, 전극 합성 과정 중 고분자를 첨가함으로써 구조 제어된 나노 입자로 합성하여 성능 향상을 구현할 수 있다. 이에 본 논문에서는 더 나아가 합성 과정에서 고분자 PVP (polyvinylpyrrolidone)의 첨가량을 달리함으로써 Cu2O 입자의 크기를 조절하여 146 - 255 nm 크기의 팔면체 Cu2O 나노 전극을 제조하였고 이를 리튬 이온 배터리의 음극에 적용하였다. 합성된 물질들은 팔면체 구조이며 PVP의 첨가량이 증가함에 따라 입자의 크기가 감소한 것을 확인하였다. 본문의 각 샘플은 PVP의 첨가량 X에 대해 Cu2O-X로 명명하였고 그 중에 특히, PVP 16 g이 첨가된 Cu2O-16이 가장 높은 리튬 이온 확산 계수(2.53×10-8 cm2s-1)와 가장 낮은 저항을 가지며 향상된 리튬 이온 배터리 성능(retention = 100%)을 구현하여 최적의 PVP 첨가량을 찾았다. 더욱이 Cu2O의 전기화학적 성능에 대한 PVP의 효과를 확인하기 위해, 합성 과정 중에 첨가했던 PVP를 필터링을 통해 제거한 PVP removed-Cu2O-16(r-Cu2O-16)과 PVP의 제거 후 열처리를 통해 PVP removed/heated-Cu2O-16(r/h-Cu2O-16)을 제조하였다. PVP 제거한 두 물질은 리튬 이온 배터리의 음극 활물질로서 적용하였을 때, 장기 안정성(retention = 11%, 32%)과 율속 특성의 성능 저하를 나타내었다. 결과적으로, 고분자 PVP를 1) 계면 활성제로서 작용하여 Cu2O가 특정 구조로 형성되도록 하였고, 그 첨가량이 입자의 성장에 영향을 끼쳐 크기를 조절할 수 있었다. 또한, 2) 생성된 Cu2O 입자의 표면에서 환원제로 작용하여 향상된 전도도로 낮은 저항과 높은 확산 계수를 보였다. PVP가 위 두 가지의 역할을 하여 본 실험을 통해 최적의 입자 크기를 가지며 향상된 전도도를 보이는 팔면체 Cu2O 전극을 합성하였고, 우수한 리튬 이온 배터리 성능을 구현하였다.
리튬 이온 배터리의 음극 활물질 Cu2O는 리튬 이온 배터리의 전기화학적 과정 중에 conversion 반응 (반응식 : Cu2O + 2Li+ + 2e- → 2Cu + Li2O)을 하는 물질로 사이클 동안의 전극의 구조 변화가 발생하고 이는 전기화학적 성능의 급격한 악화를 야기한다. 그러므로 리튬 이온 배터리의 음극 활물질로서 Cu2O의 성능 저하를 극복하기 위해, 전극 합성 과정 중 고분자를 첨가함으로써 구조 제어된 나노 입자로 합성하여 성능 향상을 구현할 수 있다. 이에 본 논문에서는 더 나아가 합성 과정에서 고분자 PVP (polyvinylpyrrolidone)의 첨가량을 달리함으로써 Cu2O 입자의 크기를 조절하여 146 - 255 nm 크기의 팔면체 Cu2O 나노 전극을 제조하였고 이를 리튬 이온 배터리의 음극에 적용하였다. 합성된 물질들은 팔면체 구조이며 PVP의 첨가량이 증가함에 따라 입자의 크기가 감소한 것을 확인하였다. 본문의 각 샘플은 PVP의 첨가량 X에 대해 Cu2O-X로 명명하였고 그 중에 특히, PVP 16 g이 첨가된 Cu2O-16이 가장 높은 리튬 이온 확산 계수(2.53×10-8 cm2s-1)와 가장 낮은 저항을 가지며 향상된 리튬 이온 배터리 성능(retention = 100%)을 구현하여 최적의 PVP 첨가량을 찾았다. 더욱이 Cu2O의 전기화학적 성능에 대한 PVP의 효과를 확인하기 위해, 합성 과정 중에 첨가했던 PVP를 필터링을 통해 제거한 PVP removed-Cu2O-16(r-Cu2O-16)과 PVP의 제거 후 열처리를 통해 PVP removed/heated-Cu2O-16(r/h-Cu2O-16)을 제조하였다. PVP 제거한 두 물질은 리튬 이온 배터리의 음극 활물질로서 적용하였을 때, 장기 안정성(retention = 11%, 32%)과 율속 특성의 성능 저하를 나타내었다. 결과적으로, 고분자 PVP를 1) 계면 활성제로서 작용하여 Cu2O가 특정 구조로 형성되도록 하였고, 그 첨가량이 입자의 성장에 영향을 끼쳐 크기를 조절할 수 있었다. 또한, 2) 생성된 Cu2O 입자의 표면에서 환원제로 작용하여 향상된 전도도로 낮은 저항과 높은 확산 계수를 보였다. PVP가 위 두 가지의 역할을 하여 본 실험을 통해 최적의 입자 크기를 가지며 향상된 전도도를 보이는 팔면체 Cu2O 전극을 합성하였고, 우수한 리튬 이온 배터리 성능을 구현하였다.
Cu2O exhibits a conversion reaction during the electrochemical process for lithium-ion batteries (LIBs). The structural transformation of the electrode during cycling can result in significantly deteriorated electrochemical performance. Therefore, in order to overcome the deterioration in LIB perfor...
Cu2O exhibits a conversion reaction during the electrochemical process for lithium-ion batteries (LIBs). The structural transformation of the electrode during cycling can result in significantly deteriorated electrochemical performance. Therefore, in order to overcome the deterioration in LIB performance with Cu2O as an anode, structure-controlled nanostructures can be prepared using polymers as additives during the synthesis of the electrode. Herein, we prepared size-controlled octahedral Cu2O nanostructure electrodes as anodes for LIBs by varying a portion of polyvinylpyrrolidone (PVP) in the synthesis. The as-prepared samples exhibited an octahedral shape with decreased particle sizes with increasing amounts of PVP. In particular, Cu2O-16 prepared with a proper amount of PVP showed enhanced LIB performance due to the highest Li+ diffusion coefficient and the lowest resistance. Furthermore, in order to confirm the effect of PVP in Cu2O on electrochemical performance, PVP-removed Cu2O-16 and PVP-removed/heated Cu2O-16 were prepared. However, the samples prepared after the removal of PVP showed deteriorated cycling and rate performance compared with Cu2O heated in the presence of PVP. Consequently, the octahedral Cu2O electrode with a proper particle size prepared with PVP as a surfactant and reductant exhibited superior LIB performance.
Cu2O exhibits a conversion reaction during the electrochemical process for lithium-ion batteries (LIBs). The structural transformation of the electrode during cycling can result in significantly deteriorated electrochemical performance. Therefore, in order to overcome the deterioration in LIB performance with Cu2O as an anode, structure-controlled nanostructures can be prepared using polymers as additives during the synthesis of the electrode. Herein, we prepared size-controlled octahedral Cu2O nanostructure electrodes as anodes for LIBs by varying a portion of polyvinylpyrrolidone (PVP) in the synthesis. The as-prepared samples exhibited an octahedral shape with decreased particle sizes with increasing amounts of PVP. In particular, Cu2O-16 prepared with a proper amount of PVP showed enhanced LIB performance due to the highest Li+ diffusion coefficient and the lowest resistance. Furthermore, in order to confirm the effect of PVP in Cu2O on electrochemical performance, PVP-removed Cu2O-16 and PVP-removed/heated Cu2O-16 were prepared. However, the samples prepared after the removal of PVP showed deteriorated cycling and rate performance compared with Cu2O heated in the presence of PVP. Consequently, the octahedral Cu2O electrode with a proper particle size prepared with PVP as a surfactant and reductant exhibited superior LIB performance.
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