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졸-겔법으로 합성한 Cr 첨가 Li4Ti5O12의 전기화학적 특성
Electrochemical Characteristics of Cr Added Li4Ti5O12 Prepared by Sol-gel Method 원문보기

전기화학회지 = Journal of the Korean Electrochemical Society, v.14 no.1, 2011년, pp.27 - 32  

김선아 (충북대학교 화학공학과) ,  조우람 (충북대학교 화학공학과) ,  정구현 (충북대학교 화학공학과) ,  조병원 (KIST 이차전지센터) ,  나병기 (충북대학교 화학공학과)

초록
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Cr을 첨가한 $Li_4Ti_5O_{12}$의 전기화학적 특성을 고찰하였다. 산화물에 금속원자가 치환될 경우에 결정구조가 변화되며, $Li_4Ti_5O_{12}$의 전기화학적 특성이 변화하게 된다. 졸-겔법을 이용하여 $Li_4Ti_{5-x}Cr_xO_{12}$ (x = 0~0.2)를 제조하였으며, 전기로에서 $800{\sim}850^{\circ}C$로 공기중에서 12시간 동안 열처리하였다. 시료의 물리적인 특성은 TG-DTA, XRD, SEM, FT-IR을 사용하여 측정하였으며, 전기화학적인 특성은 0.01~2.0V의 범위에서 배터리충방전기를 사용하여 측정하였다. $Li_4Ti_5O_{12}$는 1C에서 169.9 mAh/g의 용량을 나타내었으며, 0.1C로 변화되었을 경우에 초기용량의 97.5%를 나타내었다. $Li_4Ti_{4.9}Cr_{0.1}O_{12}$ 시료는 1C에서 193.8 mAh/g의 용량을 보였으며, 0.1C에서는 초기용량의 98.8%를 나타내었다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

The electorchemical properties of $Li_4Ti_5O_{12}$ added with Cr was tested. The addition or substitution of atoms to $Li_4Ti_5O_{12}$ are expected to modify the crystal structure, and therefore to change the electrochemical performances of $Li_4Ti_5O_{12}$. After th...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 의 리튬 이차전지의 음극 물질로 사용하기 위한 전기화학적 개선연구를 추진하고자 하였다. 구체적으로는 여러 전기화학적 개선 방법 중 하나인 첨가제에 따른 특성 향상을 이루고자 Li4Ti5O12에 다른 이종 원소 source, Cr을 첨가해 전기 전도성 및 용량 증가와 사이클 안정성을 꾀하려했다.
  • 본 연구에서는 충 · 방전에 따른 체적변화가 매우 적고 수명 특성이 매우 우수한 전극 재료 Li4Ti5O12의 리튬 이차전지의 음극 물질로 사용하기 위한 전기화학적 개선연구를 추진하였다.
  • 본 연구에서는 충·방전에 따른 체적변화가 매우 적고 수명 특성이 매우 우수한 전극 재료 Li4Ti5O12의 리튬 이차전지의 음극 물질로 사용하기 위한 전기화학적 개선연구를 추진하고자 하였다.
  • 실험에서의 열처리는 2단계로 진행되었으며 1차 열처리는 Li4Ti5O12를 합성하기 위한 전단계로 시작물질에 사용된 유기물질의 제거에 가장 큰 목적이 있다. 실제로 Li4Ti5O12를 열처리하는 과정에서 시작물질 사이에 다른 유기물들이 있다면 결정 형성시 비효율적인 리튬의 삽입/탈리가 일어날 수 있다.
  • 2차 소성의 온도는 스피넬 타입의 Li4Ti5O12가 가장 효율적으로 결정을 이루는 온도구간인 800~850℃에서 진행하였다. 열처리의 목적은 리튬 이온의 원활한 리튬 삽입/탈리를 위한 혼합물질의 합성과 구조적 특성의 변화를 주기 위한 것이다. 열처리시 승온 속도와 열처리 시간에 따라 물질의 특성에 중요한 영향을 미칠 수 있으므로 승온 속도를 3℃/min으로 하였으며, 고정된 온도에서 12시간 열처리하였다.
  • 건조된 겔의 열처리을 위해 전기로를 사용하였으며 공기 분위기에서 열처리를 진행하였다. 이 때 열처리 과정은 분말에 온도를 가하여 출발물질을 합성 시키는 단순한 과정으로 생각하기 쉬우나 열처리 온도, 시간, 구간 rest time 설정 등에 따라 다양한 결과 값을 나타내는 매우 중요한 과정이라 볼 수 있으며, 열처리의 목적은 리튬 이온의 원활한 삽입/탈리가 가능하도록 혼합물질의 합성과 구조적 특성의 변화를 주기 위한 것이다.
  • 졸-겔법을 통해 합성된 전구체를 열처리하기 전에 온도에 따른 물질의 무게감소 측정을 목적으로 열중량 분석(TGA)을 실시하였다. 또한 기존의 합성 방법으로 많이 사용하는 고상법과 비교하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
졸-겔법에서 졸은 무엇인가? 본 연구에서는 졸-겔법을 이용하여 Li4Ti5O12를 합성하였다. 졸-겔법은 졸→겔→세라믹스의 과정을 거치는 공정으로 여기서 졸이란 일반적으로 1~1000 nm 정도의 입자들로 이뤄져 인력이나 중력의 작용이 무시할 정도로 작아반데르 발스 인력이나 표면전하가 주로 작용하여 침전이 발생하지 않고 분산된 콜로이드 서스펜션을 말한다. 이렇게 형성된 졸은 가수분해반응과 축합반응을 거쳐서 겔로 전이된다.
음극 소재 코팅처리 시 장점은? 리튬 이차전지의 충전시 리튬이온이 탈리되면서 격자구조의 변형과 상변화를 수반하는데, 높은 충전전위에서는 활물질의 에너지가 높아서 금속의 용출이 심각하게 발생한다. 음극 소재를 코팅처리 하면, 코팅물질에 의해 코팅 막 아래 혹은 그 주변의 표면에너지를 변화시켜 전이금속의 용출을 막아 결국 용량 감소를 직접적으로 막을 뿐만 아니라, 용출된 전이 금속이 표면에 두꺼운 피막을 형성해 저항으로 작용하는 것을 원천적으로 막는 장점이 있다. 또한 첨가제의 특성을 알아보면, Mg2+이온의 첨가는 전기 전도도를 향상시킬 수 있다고 보고되어 있고, Al3+인 경우에는 가역용량과 사이클 안정성을 향상시킨다고 보고되었다.
음극 소재에 첨가제로 Al3+를 첨가할 경우 어떤 특성이 향상되는가? 음극 소재를 코팅처리 하면, 코팅물질에 의해 코팅 막 아래 혹은 그 주변의 표면에너지를 변화시켜 전이금속의 용출을 막아 결국 용량 감소를 직접적으로 막을 뿐만 아니라, 용출된 전이 금속이 표면에 두꺼운 피막을 형성해 저항으로 작용하는 것을 원천적으로 막는 장점이 있다. 또한 첨가제의 특성을 알아보면, Mg2+이온의 첨가는 전기 전도도를 향상시킬 수 있다고 보고되어 있고, Al3+인 경우에는 가역용량과 사이클 안정성을 향상시킨다고 보고되었다.1)
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참고문헌 (11)

  1. S. Huang, Z. Wen, X. Zhu, and Z. Lin, “Effects of dopant on the electrochemical performance of $Li_4Ti_5O_{12}$ as electrode material for lithium ion batteries,” J. Power Sources, 165, 408 (2007). 

  2. S. Takai, M. Kamata, S. Fujine, K. Yoneda, K. Kanda, and T. Esaka, “Diffusion coefficient measurement of lithium ion in sintered $Li_{1.33}Ti_{1.67}O_4$ by means of neutron radiography”, Solid State Ionics, 123, 165 (1999). 

  3. K. Zaghib, M. Simoneau, M. Armand, and M. Gauthier, “Electrochemical study of $Li_4Ti_5O_{12}$ as negative electrode for Li-ion polymer rechargeable batteries”, J. Power Sources, 300, 81 (1999). 

  4. S. S. Kim, “Recent Developments in Anode materials for Li Secondary Batteries”, J. Korean Electrochem. Soc., 11(3), 211 (2008). 

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  6. T. Ohzuku, A. Ueda, N. Yamamoto, and Y. Iwakoshi, “Factor affecting the capacity retention of lithium-ion cells,” J. Power Sources, 54, 99 (1995). 

  7. S. Takai, M. Kamata, S. Fujine, K. Yoneda, K. Kanda, and T. Esaka, “Diffusion coefficient measurement of lithium ion in sintered $Li_{1.33}Ti_{1.67}O_4$ by means of neutron radiography”, Solid State Ionics, 123, 165 (1999). 

  8. P. P. Prosini, R. Mancini, L. Petrucci, V. Contini, and P. Villano, “ $Li_4Ti_5O_{12}$ as anode in all-solid-state, plastic, lithium-ion batteries for low-power apllications”, Solid State Ionics, 14, 185 (2001). 

  9. M. W. Raja, S. Mahanty, M. Kundu, and R. N. Basu, “Synthesis of nanocrystalline $Li_4Ti_5O_{12}$ by a novel aqueous combusion technique”, J. Alloy. Compd., 468, 258 (2009). 

  10. X. L. Yao, S. Xie, H. Q. Nian, and C. H. Chen, “Spinel $Li_4Ti_5O_{12}$ as a reversible material down to 0 V”, J. Alloy. Compd., 465, 375 (2008). 

  11. H. Ge, N. Li, D. Li, C. Dai, and D. Wang, “Electrochemical characteristics of spinel $Li_4Ti_5O_{12}$ discharged to 0.01 V”, Electrochem. Commun., 10, 719 (2008). 

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