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리튬이온전지 음극활물질 Li4Ti5O12의 그래핀/CNT 첨가에 따른 전기화학적 특성
Electrochemical Performance of Li4Ti5O12 with Graphene/CNT Addition for Lithium Ion Battery 원문보기

Korean chemical engineering research = 화학공학, v.55 no.3, 2017년, pp.430 - 435  

김상백 (충북대학교 화학공학과) ,  나병기 (충북대학교 화학공학과)

초록
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$Li_4Ti_5O_{12}$ (LTO)는 리튬이차전지용 음극활물질로써 충방전에 따른 체적변화가 매우 적고, 삽입과 탈리 반응에 따른 높은 가역성 때문에 수명 특성이 좋다는 장점을 가지고 있다. 본 연구에서는 LTO의 단점인 낮은 전기전도도를 보완하고자 전도성이 좋은 탄소계열 소재인 그래핀과 CNT를 첨가 하였다. LTO입자가 나노 크기이므로, 그래핀이 LTO표면에 위치하여 전도성 향상을 시키기 어렵다고 생각했다. 따라서 추가로 CNT를 첨가시켜 LTO입자와 그래핀 사이에 전도성 네트워크를 형성하여, 그래핀만 첨가하였을 때 보다 전도성이 향상되었다. 또한 탄소물질의 첨가 시점을 LTO합성 전후로 나누어, 각각의 용량 및 수명특성의 효율을 비교해 보았다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

$Li_4Ti_5O_{12}$ (LTO) is an anode material for lithium ion battery, and the cycle performance is very good. The volume change of LTO during insertion and deinsertion of lithium ion is very small, so the cyclibility is very high. In this experiment graphene and CNT was added to increase t...

주제어

질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
그래핀과 CNT를 high energy ball milling을 통해 첨가한 이유는? 본 연구에서는 LTO의 단점인 낮은 전기전도도를 보완하고자 전도성이 훌륭한 탄소계열 소재인 그래핀과 CNT를 high energy ball milling을 통해 첨가 하였다. 또한 LTO에 카본첨가 시점을 합성 전후로 나누어 각각의 특징을 살피고, 분산제 유무에 따른 용량 측정 결과를 비교해보았다.
탄소계 음극 활물질의 단점은? 음극재료로는 현재 탄소계 물질이 널리 사용되고 있으며, 이러한 탄소계 음극 활물질은 구조적으로 리튬이온이 탄소 층 사이로 가역적인 삽입과 탈리가 일어나는 반응 메커니즘을 갖고 있기 때문에 우수한 사이클 특성과 안정성을 갖고 있다. 하지만 충방전시 낮은 전위에서 생성되는 SEI (Solid Electrolyte Interface)와 LiC6의 높은 반응성을 단점으로 가지고 있다[2-4].
LTO (Li4Ti5O12)의 장점은? LTO (Li4Ti5O12)는 스피넬 구조로써 카본과 비교하여 좋은 구조적 안정성을 가지고 있어, 충방전시 리튬이온이 삽입되고 탈리될때 부피변화가 거의 없다는 장점을 가지고 있다. 따라서 수명특성이 매우 좋다.
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참고문헌 (18)

  1. Yuan, T., Cai, R., Wang, K., Ran, R., Liu, S. and Shao, Z., "Combustion Synthesis of High-performance $Li_4Ti_5O_{12}$ for Secondary Li-ion Battery," Ceram. Int., 35, 1757-1768(2009). 

  2. Hong, S. C., Hong, H. P., Cho, B. W. and Na, B. K., "Effect of Heat Treatment on Electrochemical Characteristics of Spinel Lithium Titanium Oxide," Korean J. Chem. Eng., 27(1), 91-95(2010). 

  3. Kim, S. H., Park, H., Jee, S. H. and Ahn, H. S., "Synthesis and Structural Properties of Lithium Titanium Oxide Powder As-synthesized by Two Step Calcination Process," Korean J. Chem. Eng., 26(2), 485-488(2009). 

  4. Yi, R. J. and Jenq, G. D., "Synthesis of Entanglement Structure in Nanosized $Li_4Ti_5O_{12}$ /multi-walled Carbon Nanotubes Composite Anode Material for Li-ion Batteries by Ball-milling-assisted Solidstate Reaction," J. Power Sources., 198, 294-297(2012). 

  5. Huang, S., Wen, Z., Zhu, X. and Lin, Z., "Effects of Dopant on the Electrochemical Performance of $Li_4Ti_5O_{12}$ as Electrode Material for Lithium Ion Batteries," J. Power Sources, 165, 408-412(2007). 

  6. Huang, S. H., Wen, Z. Y., Zhu, X. J. and Lin, Z. X., "Preparation and Electrochemical Performance of Spinel-Type Compounds $Li_4Al_yTi_{5-y}O_{12}$ (y0, 0.10, 0.15, 0.25)," J. Electrochem. Soc., 152(1), A186-A190(2005). 

  7. Huang, S., Wen, Z., Zhang, J., Gu, Z. and Xu, X., " $Li_4Ti_5O_{12}$ /Ag Composite as Electrode Materials for Lithium-ion Battery," Solid State Ionics, 177, 851-855(2006). 

  8. Yu, H., Zhang, X., Jalbout, A. F., Yan, X., Pan, X. and Xie, H., "High-rate Characteristics of Novel Anode $Li_4Ti_5O_{12}$ /polyacene Materials for Li-ion Secondary Batteries," Electrochim. Acta, 53, 4200-4204(2008). 

  9. Wang, G., Xu, J., Wen, M., Cai, R., Ran, R. and Shao, Z., "Influence of High-energy Ball Milling of Precursor on the Morphology and Electrochemical Performance of $Li_4Ti_5O_{12}$ -ball-milling Time," Solid State Ionics, 179, 946-950(2008). 

  10. Yao, X. L., Xie, S., Nian, H. Q. and Chen, C. H., "Spinel $Li_4Ti_5O_{12}$ as a Reversible Material Down to 0V," J. Alloy. Compd., 465, 375-379(2008). 

  11. Xing, L., Meizhen, Q., Yongjian, H. and Zuolong, Y., "Preparation and Electrochemical Performance of $Li_4Ti_5O_{12}$ Carbon Nanotubes for Lithium Ion Battery," Electrochim. Acta, 55, 2978-2982(2010). 

  12. Kiyoshi, N., Ryosuke, N., Tomoko, M. and Hiroshi, M., "Preparation of Particulate $Li_4Ti_5O_{12}$ Having Excellent Characteristics as an Electrode Active Material for Power Storage Cells," J. Power Sources, 117, 131-136(2003). 

  13. Zhu, N., Liu. W., Xue, M. Q., Xie, Z. A., Zhao, D., Zhang, M. N., Chen, J. T. and Cao, T. B., "Graphene as a Conductive Additive to Enhance the High-rate Capabilities of Electrospun $Li_4Ti_5O_{12}$ for Lithium-ion Batteries," Electrochim. Acta, 55, 5813-5818(2010). 

  14. Guo, P., Song, H. H. and Chen, X. H., "Electrical Conductivity and Rate-capability of $Li_4Ti_5O_{12}$ as a Function of Heat-treatment Atmosphere," Electrochem. Commun., 11, 1320-1324(2009). 

  15. Wang, D. H., Choi, D. W., Li, J., Yang, Z. G., Nie, Z. M., Kou, R., Hu, D. H., Wang, C. M., Saraf, L. V., Zhang, J. G., Aksay, I. A. and Liu, J., "Self-assembled $ETiO_2$ -graphene Hybrid Nanostructures for Enhanced Li-Ion Insertion," ACS Nano, 3, 907-914(2009). 

  16. Shi, Y., Wen, L. F. and Cheng, H.-M., "Nanosized $Li_4Ti_5O_{12}$ / Graphene Hybrid Materials with Low Polarization for High Rate Lithium Ion Batteris," J. Power Sources, 196, 8610-8617(2011). 

  17. Joo, E., Kim, J., Hosono, E., Zhou, H. and Kudo, T., "Large Reversible Li Storage of Graphene Nanosheet Families for Use in Rechargeable Lithium Ion Batteries," Nano Lett., 8, 2277- 2282 (2008). 

  18. Park, H. K., "The Research and Development Trend of Cathode Materials in Lithium Ion Battery," J. Korean Electrochem. Soc., 11(3), 197-210(2008). 

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