선택한 단어 수는 입니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
선택한 단어 수는 30입니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
문제 정의
- 7) 하지만 아연은 알려진 대로 충방전 시 덴드라이트를 형성하고 리튬과 합금화를 이루는 과정에서 높은 부피 팽창률로 인해 기계적 응력이 가해져 전극내부와 표면에 균열이 발생하여 전극으로부터 활물질이 탈락되어 전기적 접촉성 저하되어 싸이클 용량이 급격하게 퇴화하는 단점이 있다.8) 때문에 이를 해결하기 위하여 리튬과 반응하지 않고 매트릭스로 작용하는 비활성 재료와의 합금화를 통하여 아연의 용해를 최소하하여 아연 음극을 좀 더 가역적으로 만들고자 한다.9)
- 10은 Zn-In-Ni 복합체 음극활물질을 사용한 전지의 충방전 특성으로서 방전 비용량과 Ah 효율을 싸이클 수에 대하여 나타낸 것이다. Zn-In-Ni 복합체 음극활물질 전극의 초기 비가역 비용량을 해소하고자 복합체 전극에 리튬 금속을 부착하여 cell 구성시 전해액의 도입에 따라 리튬 금속이 복합체 전극과 전기화학적으로 반응하도록하여 Ah 효율을 정량적으로 향상하고자 하였다. 리튬 금속의 적용을 통하여 비가역 비용량을 해소한 전극의 초기 충전 비용량은 590 mAh/g이고 초기 방전 비용량이 536 mAh/g을 나타내어 초기 효율은 91% 수준으로 향상할 수 있었다.
- 본 연구에서는 인듐과 니켈을 포함하는 아연계 재료를 합성하고자 하였으며, 균질한 혼합 조성을 얻고자 금속 이온의 sol을 제조하고 gel화하여 소결제조함으로써 화학적 분산으로 균질한 혼합조성을 가지는 아연계 재료를 제조하고자 하였다. 합성한 재료를 결정구조분석(XRD), 표면형상분석(FE-SEM)과 입도분석(PSA)을 통하여 물리적 성질을 분석하였다.
제안 방법
- 5는Zn-In-Ni 복합체를 음극활물질로 리튬 금속을 상대전극으로 한 리튬이차전지의 충방전 시간에 따른 전압과 전류를 나타낸 것이다. 0.2C 율의 전류로 충방전전압은 0.005~1.5 V로 하여 전기화학 시험을 행하였다. 1차 충방전의 평탄 전위가 0.
- 합성한 Zn-InNi 활물질의 표면형상을 관찰하고 입자 크기를 관찰하기위하여 주자현미경 분석 SEM (Scanning Electron Microscopy, S-4800 Hitachi)을 수행하였다. Zn-In-Ni의 분말 및 분말의 결정 구조를 확인하고자 Philips X-pert PRO MPD 모델을 이용하여 XRD 회절 시험을 실시하였다. X-ray 선원은 Cu-K선(λ=1.
- ZnIn-Ni 복합체 재료의 입도 분포는 3~42 µm로 광범위하게 나타남을 입도분석(PSA)으로 확인하였다.
- 리튬이차전지용 음극 활물질인 Zn-In-Ni 복합체를 졸겔법으로 합성하고 재료의 물리적 분석과 전기화학적 특성을 분석하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 충방전 시험의 비용량은 70%의 음극활물질을 기준하여 구한 값이다. 먼저 PVDF를 NMP(N-methylpyrrolidone, 99%,Aldrich Co.)용매에 혼합기(Thinky Mixer-AR-250)를 사용하여 10분간 용해시킨 후 활물질을 넣고 20분 동안 교반시켜 균질한 슬러리를 제조하였다. 제조한 슬러리를 doctor blade로 구리 집전체(10 µm)에 도포한 후, NMP 용매를 100℃ 건조기에서 20분 동안 증발건조한 다음 고온 압착기로 전극을 압착하여 고밀도화 하였다.
- 02o/sec 주사속도로 측정하였다. 원재료의 입자크기를 분석하기 위해 PSA를 수행하였다. Malvern Hydro 2000MU 모델을 사용하고, 증류수의 용매로 측정하였다.
- 이를 보안하기 위하여 리튬을 전기화학적으로 미리 충전 시키는 개념을 도입하여 리튬이 도핑 된 Zn-In-Ni 복합체 음극활물질을 제조하고 전지로 제조하여 전기화학특성을 평가하였다. 그 결과 초기 효율이 91%수준으로 향상된 결과를 얻을 수 있었고, 율 특성 시험후 회복 용량도 우수한 결과를 얻을 수 있었다.
- , 두께 300 µm) 분리막을 사용하였다. 전지 제작의 모든 공정은 금속 리튬의 산화 등 수분의 영향을 피하기 위해 내부 수분 함량 10 ppm 이하의 드라이룸 내에서 실시하였다. 셀 조립 후 전극과 분리막에 전해액이 충분히 스며들도록 하기 위해서 24시간 동안 숙성하였다.
- 제조한 금속이온 복합체를 분쇄하고 550℃ 온도로 3시간 동안 아르곤 분위기에서 2차 열처리하여 Zn-In-Ni 복합체 음극활물질을 제조하였다.
- 졸겔법으로 300℃에서 5시간, 550℃에서 3시간 동안 열처리하여 합성한 Zn-In-Ni 음극활물질은 XRD 분석 결과 ZnO의 산화물 형태로 확인하였다. SEM 분석 결과 입자의 크기와 형태가 다양하였으며, 2차입자들이 서로 응집되어 복합체의 1차 입자를 형성하였음을 확인하였다.
- 충방전 실험은 TOYO사 TOSCAT-3100U 모델의 충방전 기기를 사용하였다. 충방전은 0.005~1.5 V의 전압구간에서 0.2C 율로 충방전을 실시하였고, 율 특성을 조사하기 위해 0.1C, 0.2C, 0.5C, 1C, 2C, 3C,5C, 10C, 0.2C 순으로 각 5회 혹은 2회씩 충방전 시험을 실시하였다.
- 1은 Zn-In-Ni 복합체 음극활물질을 제조하는 공정을 개략적으로 나타내었다. 합성한 Zn-InNi 활물질의 표면형상을 관찰하고 입자 크기를 관찰하기위하여 주자현미경 분석 SEM (Scanning Electron Microscopy, S-4800 Hitachi)을 수행하였다. Zn-In-Ni의 분말 및 분말의 결정 구조를 확인하고자 Philips X-pert PRO MPD 모델을 이용하여 XRD 회절 시험을 실시하였다.
- 합성한 재료를 결정구조분석(XRD), 표면형상분석(FE-SEM)과 입도분석(PSA)을 통하여 물리적 성질을 분석하였다. 합성한 아연계 음극 복합체를 이용하여 도전재 및 결합제와 함께 복합 전극을 제조하고, 리튬금속상대전극 및 유기전해액과 함께 아연계 음극 활물질의 리튬이차전지를 제조하여 고율방전 특성과 수명특성을 관찰함으로써 전기화학적 특성을 확인하였다.
- 본 연구에서는 인듐과 니켈을 포함하는 아연계 재료를 합성하고자 하였으며, 균질한 혼합 조성을 얻고자 금속 이온의 sol을 제조하고 gel화하여 소결제조함으로써 화학적 분산으로 균질한 혼합조성을 가지는 아연계 재료를 제조하고자 하였다. 합성한 재료를 결정구조분석(XRD), 표면형상분석(FE-SEM)과 입도분석(PSA)을 통하여 물리적 성질을 분석하였다. 합성한 아연계 음극 복합체를 이용하여 도전재 및 결합제와 함께 복합 전극을 제조하고, 리튬금속상대전극 및 유기전해액과 함께 아연계 음극 활물질의 리튬이차전지를 제조하여 고율방전 특성과 수명특성을 관찰함으로써 전기화학적 특성을 확인하였다.
대상 데이터
- 2032 코인형 리튬이차전지의 조립은 14 mm 크기의 음극, Li metal 상대전극과 1.2 M의 LiPF6염이 용해된 EC/EMC(1/1 vol%) + 2% VC 전해액(PANAX E-Tech Co.,Ltd.)과 glass micro-fiber filter (Whatman International Ltd., 두께 300 µm) 분리막을 사용하였다.
- X-ray 선원은 Cu-K선(λ=1.5406Å)을 사용하였으며, 10~80o의 범위에서 0.02o/sec 주사속도로 측정하였다.
- 아세트산 아연(Zn(CH3COO)2, Aldrich) 3.958 g, 아세트산 인듐(In(CH3COO)3, Aldrich) 0.437 g, 아세트산니켈(Ni(CH3COO)2, Aldrich) 0.124 g을 90:7.5:2.5의 원자조성비에 따라 증류수 50 ml에 용해하고 환원제인 구연산(1몰 비율, 3.842 g)로 첨가하여 80℃에서 교반하여 용해하였다. 제조한 금속 이온 복합 용액에 N,N'-methylene-bis-acrylamide(Aldrich) 0.
- 제조한 금속 이온 복합 용액에 N,N'-methylene-bis-acrylamide(Aldrich) 0.0616 g과 acrylamide(Aldrich) 1.421 g을 첨가하여 금속이온 복합 졸을 제조하였다.
- 제조한 음극활물질의 전기화학적 특성을 분석하기 위하여 음극활물인 아연 복합체를 도전재(super p.black) 및 유기계 결합제 PVDF(polyvinylidene fluoride)를 70:15:15의 중량비로 극판을 제조하였다. 충방전 시험의 비용량은 70%의 음극활물질을 기준하여 구한 값이다.
- 충방전 실험은 TOYO사 TOSCAT-3100U 모델의 충방전 기기를 사용하였다. 충방전은 0.
이론/모형
- 원재료의 입자크기를 분석하기 위해 PSA를 수행하였다. Malvern Hydro 2000MU 모델을 사용하고, 증류수의 용매로 측정하였다.
성능/효과
- Zn-In-Ni 복합체를 음극활물질로 적용한 전지의 시간에 따른 전압과 전류 패턴을 비교 했을 때 초기 방전 시간은 40 시간으로 유사하였지만, 아세트산 아연을 음극활물질로 한 리튬이차전지의 1차 과정의 충전과 방전의 비용량은 각각 1100 mAh/g과 500 mAh/g으로서 비가역 비용량은 600 mAh/g였고 Ah 효율은 45%였다. 10회의 방전 비용량이 359 mAh/g으로서 싸이클의 진행에 따라 비용량이 급격히 퇴화하는 것을 확인하였다. Fig.
- 1차 충전 및 방전 비용량은 2036 및 916 mAh/g으로서 1차 비가역 비용량은 1120 mAh/g이었고, 1차 효율은 45%였다. 31회의 방전 비용량은 379 mAh/g이고 62회의 방전 비용량은 365 mAh/g을 나타내어 이후 안정한 충방전 특성을 나타내었으며, 금속계 음극활물질의 문제점인 높은 초기 비가역 비용량이 아연계 음극활물질에서도 나타났다. Fig.
- 졸겔법으로 300℃에서 5시간, 550℃에서 3시간 동안 열처리하여 합성한 Zn-In-Ni 음극활물질은 XRD 분석 결과 ZnO의 산화물 형태로 확인하였다. SEM 분석 결과 입자의 크기와 형태가 다양하였으며, 2차입자들이 서로 응집되어 복합체의 1차 입자를 형성하였음을 확인하였다. 재료의 평균 입도는 약 16µm 였다.
- 5의 전위 평탄 영역의 특성과는 차이를 나타내었다. Zn-In-Ni 복합체 음극활물질을 사용한 전지의 결과와 비교 했을 때 초기 방전 시간이 1/2배 수준이고 초기 방전 비용량이 324 mAh/g으로서 Zn-In-Ni 복합체의 65% 수준이였다. 순수 아연의 초기 비가역 비용량은 272 mAh/g으로 나타났다.
- 2C 율의 전류로 충방 전 시험한 결과로부터 방전비용량을 싸이클 수에 대하여 함께 나타낸 것이다. Zn-In-Ni 음극활물질의 초기방전 비용량은 910 mAh/g, 아세트산 아연의 초기 방전비용량은 500 mAh/g, 순수 아연의 초기 방전 비용량은 320 mAh/g으로 수명에 따른 방전 비용량이 ZnIn-Ni 복합체가 가장 높고 싸이클 특성 또한 가장 좋은 결과를 나타낸다. 아세트산 아연의 경우도 410 mAh/g수준에서 좋은 충방전 수명 특성을 나타내었다.
- 이를 보안하기 위하여 리튬을 전기화학적으로 미리 충전 시키는 개념을 도입하여 리튬이 도핑 된 Zn-In-Ni 복합체 음극활물질을 제조하고 전지로 제조하여 전기화학특성을 평가하였다. 그 결과 초기 효율이 91%수준으로 향상된 결과를 얻을 수 있었고, 율 특성 시험후 회복 용량도 우수한 결과를 얻을 수 있었다. 이를통하여 Zn-In-Ni 복합체 재료는 기존의 상용화된 흑연계 보다 높은 비용량을 나타내는 리튬이차전지용 음극활물질로 확인하였다.
- Zn-In-Ni 복합체 음극활물질 전극의 초기 비가역 비용량을 해소하고자 복합체 전극에 리튬 금속을 부착하여 cell 구성시 전해액의 도입에 따라 리튬 금속이 복합체 전극과 전기화학적으로 반응하도록하여 Ah 효율을 정량적으로 향상하고자 하였다. 리튬 금속의 적용을 통하여 비가역 비용량을 해소한 전극의 초기 충전 비용량은 590 mAh/g이고 초기 방전 비용량이 536 mAh/g을 나타내어 초기 효율은 91% 수준으로 향상할 수 있었다. 율별 시험 후 회복율 또한 리튬 금속을 도핑하지 않았을 때 보다 높은 용량을 나타내었다.
- 순수 아연 활물질의 경우 초기 충전 비용량 597 mAh/g과 방전 비용량 325 mAh/g을 나타내었고, 아세트산 아연 활물질의 초기 충전 비용량은 1100 mAh/g과 방전 비용량 500 mAh/g이었다. 아세트산 아연에 전이금속 첨가제로 아세트산 인듐과 아세트산 니켈을 넣어 졸겔법으로 합성한 Zn-In-Ni 복합체를 음극활물질로 적용하였을 때는 초기 충전 비용량 2036 mAh/g과 방전비용량 910 mAh/g을 나타내서 순수 아연과 아세트산 아연을 음극활물질로 적용하였을 때 보다 초기 충전과 방전 비용량이 높았다. Zn-In-Ni 복합체가 상대적으로 높은 비용량을 나타내는 것은 인듐과 니켈이 아연의 구조를 안정화하여 아연과 리튬의 전기화학 반응을 원활히하고 부피 팽창에 따른 응력을 완화하여 싸이클 수명도 향상한 것으로 생각 할 수 있었다.
- 그 결과 초기 효율이 91%수준으로 향상된 결과를 얻을 수 있었고, 율 특성 시험후 회복 용량도 우수한 결과를 얻을 수 있었다. 이를통하여 Zn-In-Ni 복합체 재료는 기존의 상용화된 흑연계 보다 높은 비용량을 나타내는 리튬이차전지용 음극활물질로 확인하였다.
- 이에 따라서 Zn-In-Ni 복합체 재료의 (100)과 (002)면의 2θ 값으로부터 a, b와 c는 각각 2.8126 Å 및 5.2350 Å으로 확인할 수 있으며, ZnO의 결정구조 상수에 비교하여 a 및 b 축은 0.5% 짧아진 격자상수를 나타내고 c 축은 0.3% 길어진 격자상수를 나타내었다.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.