[논문]건식 진동밀을 이용한 나트륨이온전지 양극활물질 합성

이연우; 김한준; 강연희; 김창삼

doi:10.6111/jkcgct.2017.27.2.070

[국내논문] 건식 진동밀을 이용한 나트륨이온전지 양극활물질 합성
Synthesis of cathode material for sodium ion batteries using dry vibration milling 원문보기

한국결정성장학회지 = Journal of the Korean crystal growth and crystal technology, v.27 no.2, 2017년, pp.70 - 74

이연우 (한국과학기술연구원 에너지융합연구단) , 김한준 (한국과학기술연구원 에너지융합연구단) , 강연희 (한국과학기술연구원 에너지융합연구단) , 김창삼 (한국과학기술연구원 에너지융합연구단)

초록
AI-Helper

건식 진동밀과 습식 볼밀로 출발원료를 혼합/분쇄하여 나트륨이온전지용 양극활물질인 $Na_{2/3}(Ni_{1/3}Mn_{2/3})O_2$를 합성하여 특성을 비교하였다. 건식 진동밀로 혼합/분쇄한 분말은 습식 볼밀한 분말보다 더 미세한 $1{\mu}m$ 이하의 입자였으며, $875{\sim}900^{\circ}C$에서 열처리 하였을 때 단일상을 얻을 수 있었다. 또한 전지 특성도 건식 진동밀을 사용한 분말이 습식 공정으로 합성한 분말보다 방전용량이 크고 방전 전위도 높게 나왔다.

Abstract ▼ AI-Helper

Two milling methods, dry vibration milling and wet ball milling, were used to prepare $Na_{2/3}(Ni_{1/3}Mn_{2/3})O_2$ powders as a cathode material for sodium ion batteries. The morphology and electrochemical property of the two powders with different milling processes were compared to each other. The particle size is less than $1{\mu}m$ in the dry vibration milled powder, while lots of larger particles than $1{\mu}m$ were found in the wet ball milled one. The single phase of $Na_{2/3}(Ni_{1/3}Mn_{2/3})O_2$ was obtained in the temperature range of $875{\sim}900^{\circ}C$. The discharge capacity and discharge voltage of the powder prepared by the dry process were higher than those of one prepared by the wet process.

Keyword

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

또한 나트륨은 리튬보다 수분과의 반응성이 좋기 때문에 나트륨이 포함된 양극활물질을 제조하는 공정과 전지를 조립하는 공정에서 수분과의 접촉에 세심한 주의를 기울일 필요가 있다[9, 10]. 본 연구는 출발원료를 건식 진동밀로 혼합하여 합성한 나트륨이온전지 양극활물질과 무수알콜을사용하여 습식 혼합하여 합성한 양극활물질의 전지특성을 비교한 결과이다. 건식 혼합을 하게 되면 건조과정이 없어 공정이 단순해질 뿐만 아니라 수분과의 접촉 기회를 줄일 수 있는 장점이 있다.

제안 방법

건조 한 분말을 직경 10 mm 두께 5 mm인 디스크형 펠렛으로 만들어 도가니에 넣고 박스로에서 승온속도를 5℃/분으로하여 900, 950, 975, 1000℃로 승온하고 12시간 동안 유지한 후 자연냉각 시켰다. 열처리한 분말을 주사전자현미경(FEI, Inspect F)으로 관찰하고, X-선회절(Rigaku,D/MAX-2500V)로 결정상을 분석하였다.
열처리를 900℃에서 하여 합성한 양극활물질을 상대극으로 Na를 사용하여 코인셀(CR2032)로 조립하여 충방전용량 변화를 2.0~3.8 V와 2.0~4.5 V 전위에서 충방전 속도를 0.02-1C로 변화시키면서 측정하였다. 양극판은 활물질, 도전재(Denka Black), 바인더(Polyvinylidenefluoride)의무게비를 85 : 10 : 5로하고, NMP(1-methyl-2-pyrrolidone)를 첨가하여 패이스트로 만든 다음, Al 호일 위에 100µm 두께로 캐스팅하여 80℃ 오븐에서 3시간 건조 후다시 100℃ 진공오븐에서 24시간 건조하여 만들었다.
특히 습식혼합공정은 수분과 접촉할 가능성이 매우 크므로 이를 건식혼합공정으로 대체하는 것은 공정 단순화만이 아니라 활물질 품질에도 긍정적인 영향을 미칠 것으로 기대된다. 진동시의 가속도를 490 m/sec²로 빠르게 하여 건식 혼합/분쇄하여 합성한 Na_2/3(Ni_1/3Mn_2/3⁾O₂ 양극활물질과 습식 볼밀로 혼합/분쇄하여 합성한 활물질의 분말 특성 및 셀의 전기화학적 특성을 비교하였다. 그 결과 진동밀로 10분간 혼합/분쇄한 분말의 입경은 1 µm 이하로, 유성밀로 1시간 혼합/분쇄한 분말보다 입경이 작아진 것을 확인하였다.

대상 데이터

이다.출발 원료는 Na₂CO₃(99 % Daejung), NiO(99 % Sigma Aldrich), Mn₂O₃(98 % Alfa Aesar)를 사용하였다. 열처리 중에 발생할 수 있는 Na의 휘발을 고려하여 Na₂CO₃을 5 % 과잉이 되게 각각의 원료를 조성에 맞게 평량하였다.

성능/효과

수분에 민감한 나트륨이온전지의 활물질을 수분과의 접촉을 최소로 하기 위해서 건식 진동밀로 출발원료를 혼합/분쇄하였다. 이렇게 혼합/분쇄한 분말은 1 µm 이하의 입경을 가졌으며, 875~900℃에서 열처리하였을 때 단 일상을 얻을 수 있었다. 또한 합성한 분말로 조립한 전지는 습식으로 합성한 분말을 사용한 전지보다 방전용량이 크고 방전 전위도 약간 높은 좋은 특성을 나타내었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	리튬이온전지는 어디에 이용되고 있는가?	리튬이온전지는 에너지밀도와 출력밀도가 높아 소형휴대용 전자기기와 전동공구, 전기자동차 및 전력저장용으로 이용 범위가 확대되고 있다[1, 2]. 특히 최근에 하이브리드 자동차와 전기자동차의 수요가 늘어나고, 풍력발전이나 태양광발전에 의한 전력공급량이 늘어남에 따라서 이차전지 수요가 급속히 증가할 것으로 예상되고있다.
	나트륨이온은 리튬이온과 비교하여 어떤 단점을 가지고 있는가?	나트륨이온은 리튬이온보다 원자번호가 크고 이온반경이 크기 때문에 나트륨이온전지의 양극활물질은 리튬이온전지의 양극활물질 보다 이론용량이 약간 작고, 율특성과 사이클 특성이 떨어지는 단점이 있다. 또한 나트륨은 리튬 보다 수분과의 반응성이 좋기 때문에 나트륨이 포함된 양극활물질을 제조하는 공정과 전지를 조립하는 공정에서 수분과의 접촉에 세심한 주의를 기울일 필요가 있다[9, 10].
	나트륨 포함 양극활물질 제조 공정에 건식을 혼합하면 좋은 점은 무엇인가?	본 연구는 출발원료를 건식 진동밀로 혼합하여 합성한 나트륨이온전지 양극활물질과 무수알콜을사용하여 습식 혼합하여 합성한 양극활물질의 전지특성을 비교한 결과이다. 건식 혼합을 하게 되면 건조과정이 없어 공정이 단순해질 뿐만 아니라 수분과의 접촉 기회를 줄일 수 있는 장점이 있다.

참고문헌 (10)

M.D. Slater, D. Kim, E. Lee and C.S. Johnson, "Sodium-ion batteries", Adv. Funct. Mater. 23 (2013) 947.

상세보기
D.H. Lee, J. Xu and Y.S. Meng, "An advanced cathode for Na-ion batteries with high rate and excellent structural stability", Phys. Chem. Chem. Phys. 15 (2013) 3304.

상세보기
R.J. Clement, P.G. Bruce and C.P. Grey, "Review-manganese- based P2-type transition metal oxides as sodiumion battery cathode materials", J. Electrochem. Soc. 162 (2015) A2589.

상세보기
H.T. Kim, S.I. Kim, H.L. Choi, W.I. Park and C.S. Kim, "Effect of Zn/NaCl ratios on the charge/discahrge performance in $Na-ZnCl_2$ battery", J. Korean Cryst. Growth Cryst. Technol. 25 (2015) 74.

원문보기 상세보기
S. Kim, D. Seo, X. Ma, G. Ceder and K. Kang, "Electrode materials for rechargeable sodium-ion batteries: potential alternatives to current lithium-ion batteries", Adv. Energy Mater. 2 (2012) 710.

상세보기
H. Pan, Y. Hu and L. Chen, "Room-temperature stationary sodium-ion batteries for large-scale electric energy storage", Energy & Environmental Science 6 (2013) 2338.

상세보기
J. Qian, X. Wu, Y. Cao, X. Ai and H. Yang, "High capacity and rate capability of amorphous phosphorus for sodium ion batteries", Angew. Chem. Int. Ed. 125 (2013) 4731.

상세보기
Y. Park, D. Seo, H. Kwon, B. Kim, J. Kim, H. Kim, I. Kim, H. Yoo and K. Kang, "A new high-energy cathode for a Na-ion battery with ultrahigh stability", J. Am. Chem. Soc. 135 (2013) 13870.

상세보기
X. Ma, H. Chen and G. Ceder, "Electrochemical properties of monoclinic $NaMnO_2$ ", J. Electrochem. Soc. 158 (2011) A1307.

상세보기
S.H. Kim, D.S. Bae, C. Kim and J.G. Lee, "Na-ion anode based on $Na(Li,Ti)O_2$ system: Effects of Mg addition", J. Kor. Ceram. Soc. 53 (2016) 282.

원문보기 상세보기

저자의 다른 논문 :

활용도 분석정보

상세보기

다운로드

내보내기

활용도 Top5 논문

해당 논문의 주제분야에서 활용도가 높은 상위 5개 콘텐츠를 보여줍니다.
더보기 버튼을 클릭하시면 더 많은 관련자료를 살펴볼 수 있습니다.

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증