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논문 상세정보

리튬이온전지용 화학적 활성화로 제조된 석유계 피치 음극소재의 전기화학적 특성

Electrochemical Characteristics of PFO pitch Anode prepared by Chemical Activation for Lithium Ion Battery

초록

본 연구에서는 PFO (pyrolyzed fuel oil)를 이용해 탄소 전구체(피치)를 얻은 후 KOH와 $K_2CO_3$를 이용한 화학적 활성화를 통해 표면 개질한 카본의 전기화학적 특성을 분석하였다. 탄소 전구체는 3903, 4001, 4002의 세 종류를 사용하였으며, 각 각 PFO를 $390^{\circ}C$ 3 시간, $400^{\circ}C$ 1시간, $400^{\circ}C$ 2 시간 열처리 하여 제조하였다. 또한 화학적 활성화 실험은 활성 촉매의 종류, 교반시간 등을 변화시키면서 비표면적 및 기공크기 등의 물성이 전기화학적 특성에 미치는 효과를 조사 하였다. 제조된 표면개질 PFO 피치의 물리적 특성은 BET, FE-SEM 등을 통해 분석되었으며, 음극 소재로서의 전기 화학적 성능은 충 방전, 순환전압전류, 임피던스, 속도 테스트를 통해 조사되었다. 화학적 활성화법을 이용해 제조한 카본의 평균 기공크기는 22 nm, 비표면적은 $3.12m^2/g$의 결과를 얻었다. 세 가지 개질된 석유계 피치를 음극소재로 사용하여 조사된 전기화학적 특성은 4001 피치가 가장 우수한 것으로 나타났으며, 이 때 표면개질 조건은 KOH를 사용하여 2시간 교반 후 화학적 활성화법에 의하여 열처리 하였다. KOH를 이용한 표면개질 PFO 피치를 사용해 제조한 전지의 초기 용량은 318 mAh/g, 초기효율은 80%로 우수한 결과를 보였으며, 2C/0.1C 속도 테스트 특성은 92%로 높은 특성을 보였다.

Abstract

In this study, the electrochemical performance of surface modified carbon using the PFO (pyrolyzed fuel oil) was investigated by chemical activation with KOH and $K_2CO_3$. PFO was heat treated at $390{\sim}400^{\circ}C$ for 1~3h to prepared the pitch. Three carbon precursors (pitch) prepared by the thermal reaction were 3903 (at $390^{\circ}C$ for 3h), 4001(at $400^{\circ}C$ for 1h) and 4002 (at $400^{\circ}C$ for 2h). Also, the effect of chemical activation catalysts and mixing time on the development of porosity during carbonization was investigated. The prepared carbon was analyzed by BET and FE-SEM. It was shown that chemical activation with KOH could be successfully used to develop carbon with specific surface area ($3.12m^2/g$) and mean pore size (22 nm). The electrochemical characteristics of modified carbon as the anode were investigated by constant current charge/discharge, cyclic voltammetry and electrochemical impedance tests. The coin cell using pitch (4002) modified by KOH has better initial capacity (318 mAh/g) than that of other pitch coin cells. Also, this prepared carbon anode appeared a high initial efficiency of 80% and the retention rate capability of 2C/0.1 C was 92%. It is found that modified carbon anode showed improved cycling and rate capacity performance.

질의응답 

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핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
리튬 이차전지
리튬 이차전지의 장점은 무엇인가?
3~4 V의 작동 전압 및 높은 에너지 밀도와 더불어 고수명의 장점

또한 하이브리드 및 전기자동차의 발달에 따라 배터리 성능의 발달이 절실히 요구되고 있다. 전기 자동차의 에너지원으로 사용되는 핵심 부품인 리튬 이차전지는 3~4 V의 작동 전압 및 높은 에너지 밀도와 더불어 고수명의 장점이 있어 연구가 활발히 진행되고 있다[1].

피치 반응 중 개질 온도, 개질 시간, 승온 온도 등
피치 반응 중 개질 온도, 개질 시간, 승온 온도 등에 따라 변화되는 피치의 구조적 특성과 함량이 어떠한 영향을 미치는가?
이러한 구조적 특성과 함량은 연화점 변화로 이어지고, 이러한 연화점의 변화는 피치를 이용해 제조한 카본의 전기화학적 특성에도 영향을 미치는 것으로 보고되었다.

이 때 피치 반응 중 개질 온도, 개질 시간, 승온 온도 등에 따라 피치의 구조적 특성, 불순물의 함량, 원소 함량 등이 달라진다고 보고되었다[13]. 또한 이러한 구조적 특성과 함량은 연화점 변화로 이어지고, 이러한 연화점의 변화는 피치를 이용해 제조한 카본의 전기화학적 특성에도 영향을 미치는 것으로 보고되었다. 본 논문에서 사용한 피치는 각각 390 ℃에서 3 시간 개질, 400 ℃ 1 시간 개질, 400 ℃에서 2 시간 개질한 피치를 사용하였고, 각 피치의 연화점은 187.

활성탄
활성탄으로 탄소계열의 물리적 특성을 변화시키는 방법은 무엇이 있는가?
강염기를 이용한 화학적 활성화 방법, 전이금속 및 희토류 금속을 촉매로 사용하는 이온 교환 방법, 고분자 블렌드를 탄화시키는 고분자 탄화법 등이 있다

특히 탄화 및 활성화 등의 방법으로 발달시킨 기공구조와 같은 물리적 특성이 전기화학적 특성에 미치는 영향에 대한 연구가 활발히 진행되고 있는데, 활성탄의 물리적 특성을 변화시키는 방법으로는 강염기를 이용한 화학적 활성화 방법, 전이금속 및 희토류 금속을 촉매로 사용하는 이온 교환 방법, 고분자 블렌드를 탄화시키는 고분자 탄화법 등이 있다[4,5]. 또한 야자각 차콜, 흑연 등 탄소계 소재를 다양한 화학적 활성화방법과 활성화제를 이용하여 비표면적과 기공을 제어하여 초기용량, 초기효율, 속도 특성 등 전기화학적 특성을 증가시키는 연구가 활발히 진행되고 있다.

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저자의 다른 논문

참고문헌 (16)

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  16. 16. Campbell, B., Ionescu, R., Favors, Z., Ozkan, C. S. and Ozkan, M., "Bio-Derived, Binderless, Hierarchically Porous Carbon Anodes for Li-ion Batteries," Sci. Rep., 5, 14575(2015). 

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