본 연구에서는 리튬이차전지의 음극활물질로 graphite의 전기화학적 특성을 향상시키기 위하여 졸-겔 법에 의한 graphite/$SiO_2$ 복합소재를 제조하였다. 제조된 graphite/$SiO_2$ 합성물은 XRD, FE-SEM과 EDX를 사용하여 분석하였다. $SiO_2$에 의해 표면 개질된 graphite는 SEI 층을 안정화시키는데 장점을 보여 주었다. Graphite/$SiO_2$ 전극을 작업 전극으로, 리튬메탈을 상대전극으로 하여 리튬이차전지의 전기화학 특성을 조사하였다. $LiPF_6$ 염과 EC/DMC 용매를 전해질로 사용하여 제조한 코인 셀의 전기화학적 거동은 충방전, 사이클, 순환전압전류, 임피던스 테스트를 진행하여 평가하였다. Graphite/$SiO_2$ 전극을 사용한 리튬이차전지는 graphite 전극을 사용한 전지보다 우수한 특성을 보여주었으며, 0.1 C rate에서 465 mAh/g의 용량을 보여주었다. 또한 개질된 graphite 전극은 0.8 C rate에서 99%의 용량 보존율을 보여주었다.
본 연구에서는 리튬이차전지의 음극활물질로 graphite의 전기화학적 특성을 향상시키기 위하여 졸-겔 법에 의한 graphite/$SiO_2$ 복합소재를 제조하였다. 제조된 graphite/$SiO_2$ 합성물은 XRD, FE-SEM과 EDX를 사용하여 분석하였다. $SiO_2$에 의해 표면 개질된 graphite는 SEI 층을 안정화시키는데 장점을 보여 주었다. Graphite/$SiO_2$ 전극을 작업 전극으로, 리튬메탈을 상대전극으로 하여 리튬이차전지의 전기화학 특성을 조사하였다. $LiPF_6$ 염과 EC/DMC 용매를 전해질로 사용하여 제조한 코인 셀의 전기화학적 거동은 충방전, 사이클, 순환전압전류, 임피던스 테스트를 진행하여 평가하였다. Graphite/$SiO_2$ 전극을 사용한 리튬이차전지는 graphite 전극을 사용한 전지보다 우수한 특성을 보여주었으며, 0.1 C rate에서 465 mAh/g의 용량을 보여주었다. 또한 개질된 graphite 전극은 0.8 C rate에서 99%의 용량 보존율을 보여주었다.
The graphite/$SiO_2$ composites as anode materials for lithium-ion batteries were prepared by sol-gel method to improve the graphite's electrochemical characteristics. The prepared graphite/$SiO_2$ composites were analysed by XRD, FE-SEM and EDX. The graphite surface modified b...
The graphite/$SiO_2$ composites as anode materials for lithium-ion batteries were prepared by sol-gel method to improve the graphite's electrochemical characteristics. The prepared graphite/$SiO_2$ composites were analysed by XRD, FE-SEM and EDX. The graphite surface modified by silicon dioxide showed several advantages to stabilize SEI layer. The electrochemical characteristics were investigated for lithium ion battery using graphite/$SiO_2$ as the working electrode and Li metal as the counter electrode. Electrochemical behaviors using organic electrolytes ($LiPF_6$, EC/DMC) were characterized by charge/discharge, cycle, cyclic voltammetry and impedance tests. The lithium ion battery using graphite/$SiO_2$ electrodes had better capacity than that of using graphite electrodes and was able to deliver a discharge capacity with 475 mAh/g at a rate of 0.1 C. Also, the capacity retention ratio of the modified graphite reaches 99% at a rate of 0.8 C.
The graphite/$SiO_2$ composites as anode materials for lithium-ion batteries were prepared by sol-gel method to improve the graphite's electrochemical characteristics. The prepared graphite/$SiO_2$ composites were analysed by XRD, FE-SEM and EDX. The graphite surface modified by silicon dioxide showed several advantages to stabilize SEI layer. The electrochemical characteristics were investigated for lithium ion battery using graphite/$SiO_2$ as the working electrode and Li metal as the counter electrode. Electrochemical behaviors using organic electrolytes ($LiPF_6$, EC/DMC) were characterized by charge/discharge, cycle, cyclic voltammetry and impedance tests. The lithium ion battery using graphite/$SiO_2$ electrodes had better capacity than that of using graphite electrodes and was able to deliver a discharge capacity with 475 mAh/g at a rate of 0.1 C. Also, the capacity retention ratio of the modified graphite reaches 99% at a rate of 0.8 C.
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문제 정의
현재 상업화되어 대량 생산되고 있는 안료의 제조 공정에서는 우수한 분산성과 높은 분산 안정성을 가지는 안료를 제조하기 위하여 양이온 활성제 또는 아민 계열 활성제를 과량 사용함으로써 합성된 안료의 수세 처리 과정에서 고농도의 폐수가 발생하므로 심각한 환경적 문제가 되고 있다[5-8]. 따라서, 본 연구에서는 계면활성제를 첨가하지 않고 안료 분산성이 매우 우수한 고기능성 황색 안료인 diarylide계디아조 화합물을 합성하고자 하였다. 합성 공정의 핵심 요인인 커플링의 합성 온도, 커플러에 결합하는 분산 전구체의 종류, 결정화 온도 및 pH 조건들을 체계적으로 변화시키면서 시료들을 합성하였고, 이들의 입도 분포, 분산성 및 분산 안정성을 측정하여 합성 공정 조건과 시료 특성 간의 상호 관계를 비교 검토하였다.
본 연구에서는 graphite의 표면 안정성을 향상시키기 위하여 graphite에 무정형의 SiO2를 코팅하여 표면 개질을 하였으며, 이로 인하여 안정적이며 균일한 SEI 형성을 도모하였다. 또한 제조한 graphite/SiO2 합성물의 물리적 특성을 분석하기 위하여 XRD, FE-SEM, EDAX 등을 측정하였으며 전기화학적 특성을 분석하기 위하여 충방전 테스트, 사이클 테스트, 율속 테스트, 순환전압전류 테스트, 임피던스 테스트 등을 실시하였다.
본 연구에서는 리튬이차전지의 음극재로 사용되는 graphite의 표면 안정성을 향상시키기 위하여 졸-겔법을 이용하여 graphite에 실리콘 산화물을 코팅하여 표면 개질을 하였다. Graphite 표면에 안정적이고 균일한 실리콘 산화물 보호막이 형성된 graphite/SiO2 합성물을 제조 하고, 물리적 특성을 분석하였으며, 이를 음극소재로 사용하여 리튬이 차전지 코인 셀을 제조하고 graphite/SiO2 음극소재의 전기화학적 특성을 조사하였다.
제안 방법
5V의 범위로 설정하였으며 이론용량 370 mAh/g을 기준으로 하여 각 0.5, 0.8, 1, 2 C를 계산 하여 충⋅방전 시험을 진행하였다.
Graphite 표면에 안정적이고 균일한 실리콘 산화물 보호막이 형성된 graphite/SiO2 합성물을 제조 하고, 물리적 특성을 분석하였으며, 이를 음극소재로 사용하여 리튬이 차전지 코인 셀을 제조하고 graphite/SiO2 음극소재의 전기화학적 특성을 조사하였다.
또한 제조한 graphite/SiO2 합성물의 물리적 특성을 분석하기 위하여 XRD, FE-SEM, EDAX 등을 측정하였으며 전기화학적 특성을 분석하기 위하여 충방전 테스트, 사이클 테스트, 율속 테스트, 순환전압전류 테스트, 임피던스 테스트 등을 실시하였다.
순환 전압 전류 테스트 전기화학 실험을 위해 구동전압을 0.1∼2.5 V로 하고 0.5, 1, 1.5, 2 mV/sec의 scan rate를 가하여 ZIVE LAB MP2 (Won A Tech.)를 이용하여 측정 하였다.
)를 이용하여 측정 하였다. 순환전압전류 시험을 통해 전극과 전해액의 계면에 주기적인 전압을 가하여 이때 발생하는 전류 변화를 관찰하여 전지 내에서 발생하는 반응을 예측하였다. 임피던스 시험은 ZIVE LAB MP2 (Won A Tech.
Rs는 리튬이온의 전해질에서의 전달 저항이며, Rct는 전극과 전해질의 계면에서 생기는 저항을 나타낸다. 임피던스 시험을 통해서 전극의 계면저항 및 전해질의 저항을 관찰하였다.
제조한 합성 물질의 전기화학적 특성을 측정하기 위해 산소와 수분을 제거한 아르곤 박스에서 코인 셀을 제작하였으며 상대 전극은 Li metal, 분리막은 PP (polypropylene, Wellcos), 전해질은 1M의 LiPF6 염과 1 : 1의 부피비로 혼합된 EC (ethly methyl carbonate)와 DMC (dimethyl carbonate) 용매로 구성된 전해액을 사용하였다. 제조한 graphite/SiO2 합성물의 입자 형상 관찰과 물질 조성 분석을 위해 FE-SEM과 EDX 분석을 실시하였으며, 결정성 분석을 위해 XRD (X-ray diffraction) 분석을 실시하였다. 제조한 graphite/SiO2 합성물의 전기화학적 특성을 평가하기 위하여 제작한 리튬이차전지 코인 셀을 WBCS 3000 (Won A Tech)를 이용하여 충⋅방전 및 사이클 특성 실험을 진행하였다.
제조한 graphite/SiO2 합성물의 전기화학적 특성을 평가하기 위하여 제작한 리튬이차전지 코인 셀을 WBCS 3000 (Won A Tech)를 이용하여 충⋅방전 및 사이클 특성 실험을 진행하였다.
따라서, 본 연구에서는 계면활성제를 첨가하지 않고 안료 분산성이 매우 우수한 고기능성 황색 안료인 diarylide계디아조 화합물을 합성하고자 하였다. 합성 공정의 핵심 요인인 커플링의 합성 온도, 커플러에 결합하는 분산 전구체의 종류, 결정화 온도 및 pH 조건들을 체계적으로 변화시키면서 시료들을 합성하였고, 이들의 입도 분포, 분산성 및 분산 안정성을 측정하여 합성 공정 조건과 시료 특성 간의 상호 관계를 비교 검토하였다.
대상 데이터
리튬이차전지 음극활물질 graphite/SiO2 합성물을 합성하기 위하여 graphite (powder < 20 µm, Sigma aldrich)와 실리콘 산화물의 전구체인 TEOS (tetraethyl orthosilicate, Sigma aldrich)를 사용하였다.
그 후에 100 ℃ 오븐에서 12 h 건조 후 Hot press를 사용하여 140 ℃에서 4000 psi 압력으로 일정한 두께를 갖도록 압착하였다. 제조한 합성 물질의 전기화학적 특성을 측정하기 위해 산소와 수분을 제거한 아르곤 박스에서 코인 셀을 제작하였으며 상대 전극은 Li metal, 분리막은 PP (polypropylene, Wellcos), 전해질은 1M의 LiPF6 염과 1 : 1의 부피비로 혼합된 EC (ethly methyl carbonate)와 DMC (dimethyl carbonate) 용매로 구성된 전해액을 사용하였다. 제조한 graphite/SiO2 합성물의 입자 형상 관찰과 물질 조성 분석을 위해 FE-SEM과 EDX 분석을 실시하였으며, 결정성 분석을 위해 XRD (X-ray diffraction) 분석을 실시하였다.
임피던스 시험은 ZIVE LAB MP2 (Won A Tech.)를 사용하였으며, 100 KHz∼0.01 Hz의 범위에서 실시하였다.
성능/효과
Graphite 표면에 안정적이고 균일한 실리콘 산화물 보호막이 형성된 graphite/SiO2 합성물을 제조 하고, 물리적 특성을 분석하였으며, 이를 음극소재로 사용하여 리튬이 차전지 코인 셀을 제조하고 graphite/SiO2 음극소재의 전기화학적 특성을 조사하였다. 다양한 율속 0.1, 0.5, 1, 2 C rate의 충방전 결과에서 graphite/SiO2 합성물의 용량은 graphite에 비하여 우수한 결과를 나타내었으며, 사이클 용량 보존율은 0.8 C rate에서 99% 이상의 높은 사이클 안정성을 갖는 결과를 얻었다. 임피던스 테스트 결과 graphite/SiO2 합성물은 graphite에 비하여 낮은 전하전달저항 값을 나타내었으며 이는 graphite 표면에 균일한 보호막이 형성되어 전해액과 graphite 간의 반응이 억제되어 안정성이 향상되었기 때문이다.
8 C-rate에서 99% 이상의 높은 사이클 안정도를 나타내었다. 율속이 증가함에 따라 용량은 감소하는 경향을 보였지만 2 C-rate를 제외하고 사이클 안정성은 90% 이상으로 대체적으로 안정 적인 결과를 나타내었다. 이는 graphite 입자 표면에 SiO2를 표면 개질함으로써 SEI 층이 균일하게 생성되었기 때문에 사이클 안정성이 향상된 결과이며, Yu 등[17]의 연구결과에서도 LiCoO2의 표면을 실리콘 산화물로 개질함으로써 비표면적 증가 및 전지 저항이 감소함에 따라 용량 및 사이클 특성이 향상된 비슷한 결과를 보고한 바 있다.
5, 2 C-rate에서 95% 이상의 용량 보존율을 보여주었다. 이에 반해 graphite/SiO2 합성물을 음극재로 사용한 경우 0.5, 0.8, 1, 2 C-rate에서 graphite의 전지보다 높은 용량을 유지하면서 0.8 C-rate에서 99% 이상의 높은 사이클 안정도를 나타내었다. 율속이 증가함에 따라 용량은 감소하는 경향을 보였지만 2 C-rate를 제외하고 사이클 안정성은 90% 이상으로 대체적으로 안정 적인 결과를 나타내었다.
Graphite/SiO2 합성물의 FE-SEM은 graphite와 비슷한 형상을 나타내었으며, 는 무정형 실리콘 산화물의 함량이 적은 만큼 FE-SEM 결과에서도 뚜렷한 차이점을 관찰할 수 없는 것으로 나타내었다 [15-17]. 합성물의 원소 함량을 나타내는 Table 1의 EDX 실험 결과에서 graphite/SiO2 합성물은 탄소 99.62 wt%, 실리콘이 0.38 wt%의 함량으로 존재하는 것을 확인하였으며 이는 graphite/SiO2 합성물 제조시 graphite에 5 wt%의 실리콘 산화물 전구체를 첨가한 것과 비슷한 결과임을 나타내었다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
리튬이차전지가 가진 특성은 무엇인가?
또한, 에너지 문제와 환경 문제 해결 방안의 하나로써 성능이 우수한 에너지 저장장치인 슈퍼 커패시터, 이차전지 등 효율적으로 에너지 저장이 가능한 전지의 개발에 많은 연구가 진행되고 있다. 리튬이차전지는 다른 이차전지에 비해 작동 전압 및 에너지 밀도가 높을 뿐만 아니라 오래 사용할 수 있어 기기의 다양화와 복합화에 따른 복잡한 요구조건을 충족시킬 수 있는 우수한 특성을 지니고 있다. 최근 기존의 리튬이차전지 기술을 더욱 발전시켜 전기자동차 등 친환경 수송시스템뿐만 아니라, 전력저장, 의료, 국방 등으로 그 응용 분야를 확대하기 위한 노력이 전 세계적으로 활발히 진행되고 있다[1-3].
리튬이차전지의 음극은 어떤 특징을 가지고 있는가?
상용 리튬 이차전지의 음극은 흑연계이며, 층상구조를 가지는 흑연의 경우 뛰어난 사이클 특성을 보이고, 리튬이온이 흑연 내로 삽입될 때의 전위가 리튬의 평형전위에 근접하기 때문에 출력 전압이 리튬 금속을 사용할 때와 별다른 차이가 없다. 그러나 통상적으로 알려진 이론적인 용량은 372 mAh/g으로 리튬금속이 갖는 이론 용량에 견주어볼 때 용량이 작고 고율 충전 시 안전성 문제가 발생한다[4-6].
불균일한 SEI로 인해 리튬이온에 생기는 문제는 무엇인가?
그러나 통상적으로 알려진 이론적인 용량은 372 mAh/g으로 리튬금속이 갖는 이론 용량에 견주어볼 때 용량이 작고 고율 충전 시 안전성 문제가 발생한다[4-6]. 또한 초기 사이클 이후에 생기는 불균일한 SEI (Solid electrolyte interface) 로 인하여 리튬이온이 전해액에서 graphite로 확산하는 것을 방해하여 상당한 비가역 용량 손실이 발생하게 되며, 결국은 graphite 전극의 붕괴 및 이로 인한 사이클 불안정성 등을 초래하게 된다. 그렇기에 graphite의 표면 안정성 향상을 위한 연구가 진행 중이며 Zhao 등[7]은 graphite 표면에 탄소층으로 개질하여 첫 번째 충방전 이후 SEI 층의 지속적인 형성을 제한하였고 Guo 등[8]과 Lee 등[9]의 연구에서는 각각 polyacrylonitrile와 Li4Ti5O12를 graphite 표면에 합성하여 사이클 안정성 향상을 도모하였다.
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