[논문]석유계 피치를 사용한 리튬전지 음극소재의 전기화학적 특성

황진웅; 이종대

doi:10.14478/ace.2017.1062

석유계 피치를 사용한 리튬전지 음극소재의 전기화학적 특성
Electrochemical Characteristics of Lithium Battery Anode Materials Using Petroleum Pitches 원문보기

공업화학 = Applied chemistry for engineering, v.28 no.5, 2017년, pp.534 - 538

초록
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본 연구에서는 PFO (pyrolyzed fuel oil)의 개질을 통해 탄소전구체(피치)를 제조한 후, 유기용매를 통한 분자량 조절을 하고 탄화하여 음극소재를 제조하였다. 리튬이차전지 음극소재의 전기화학적 특성은 석유계 피치를 사용하여 조사되었다. 사용된 세 종류의 피치는 3903, 4001, 4002이며, 각 PFO를 $390^{\circ}C$ 3 h, $400^{\circ}C$ 1 h, $400^{\circ}C$ 2 h 열처리 하여 제조하였다. 제조된 헥산 불용성 피치의 물리적 특성은 XRD, TGA, GPC, SEM으로 분석되었다. 음극소재로서의 피치의 전기화학적 특성은 충 방전, 순환전압전류, 임피던스, 속도 테스트를 통해 조사되었다. 4001 피치를 통하여 제조된 음극소재와 $LiPF_6$ (EC : DMC = 1 : 1 vol%, VC 3 wt%)를 사용하여 제조한 반쪽 전지는 향상된 초기용량(310 mAh/g)을 보였으며, 초기 효율(82%), 2 C/0.1 C 속도특성(90%), 용량 유지율 85%의 특성을 보였다. 본 연구에서 제조된 피치는 사이클 특성과 속도특성이 향상됨을 알 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, the molecular weight controlled pitches derived from pyrolyzed fuel oil (PFO) were prepared using solvent extraction and were carbonized. Electrochemical characteristics of lithium battery anode materials were investigated using these petroleum pitches. Three pitch samples prepared by the thermal reaction were 3903 (at $390^{\circ}C$ for 3 h), 4001 (at $400^{\circ}C$ for 1 h) and 4002 (at $400^{\circ}C$ for 2 h). The prepared hexane insoluble pitches were analysed by XRD, TGA, SEM and Gel permeation Chromatography (GPC). The electrochemical characteristics of the PFO-derived pitch as an anode material were investigated by constant current charge/discharge, cyclic voltammetry and electrochemical impedance tests. The coin cell using pitch (4001) and the electrolyte of $LiPF_6$ in organic solvents (EC : DMC = 1 : 1 vol%, VC 3 wt%) has better initial capacity (310 mAh/g) than that of other pitch coin cells. Also, this carbon anode showd a high initial efficiency of 82%, retention rate capability at 2 C/0.1 C of 90% and cycle retention of 85%. It was found that modified pitches improved the cycling and rate capacity performance.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 저가의 석유계 잔사유를 전구체로 하는 소프트 카본을 제조하여 고 율속에서 안정한 특성을 가지는 음극소재의 특성을 조사하였다. Pyrolyzed fuel oil (PFO)을 온도와 시간에 따라 개질하여 제조한 석유계 피치를 hexane 용매에 녹인 후 불용분을 탄화하여 hexane insoluble- soft carbon (HI-SC)을 제조하였다.

제안 방법

본 연구에서는 저가의 석유계 잔사유를 전구체로 하는 소프트 카본을 제조하여 고 율속에서 안정한 특성을 가지는 음극소재의 특성을 조사하였다. Pyrolyzed fuel oil (PFO)을 온도와 시간에 따라 개질하여 제조한 석유계 피치를 hexane 용매에 녹인 후 불용분을 탄화하여 hexane insoluble- soft carbon (HI-SC)을 제조하였다. 합성된 소재의 물리적 특성은 XRD, FE-SEM, TGA, GPC 등을 통해 측정하였고, 전기화학적 특성을 분석하기 위해 율속 테스트, 사이클 테스트, 임피던스 테스트 등을 실시하였다.
본 연구에서는 석유계 잔사유인 PFO를 개질하여 피치를 제조한 후 hexane 용매에 녹지 않는 불용분을 탄화하여 HI-SC 음극소재를 제조하였다. TGA, GPC, XRD 분석 결과 피치 생성 과정에서의 개질 온도와 시간이 증가할수록 탄화 수율이 증가하고, 평균 분자량과 다분산지수 감소 및 피크 값이 증가하는 것으로 확인하였다.
Pyrolyzed fuel oil (PFO)을 온도와 시간에 따라 개질하여 제조한 석유계 피치를 hexane 용매에 녹인 후 불용분을 탄화하여 hexane insoluble- soft carbon (HI-SC)을 제조하였다. 합성된 소재의 물리적 특성은 XRD, FE-SEM, TGA, GPC 등을 통해 측정하였고, 전기화학적 특성을 분석하기 위해 율속 테스트, 사이클 테스트, 임피던스 테스트 등을 실시하였다.

대상 데이터

이차전지 반쪽 전지의 전기화학 특성 분석을 위한 전극 제조는 활물질 : 바인더를 96 : 4의 중량비로 슬러리를 제조하여 구리 호일에 코팅하였다. 활물질로 HI-SC 합성물, 바인더로는 PVDF (polyvinyldene fluoride, POSCO ESM)을 사용하여 NMP (1-methyl-2-pyrrodidinone, Sigma aldrich)로 점도를 조절하였다.
이차전지 반쪽 전지의 전기화학 특성 분석을 위한 전극 제조는 활물질 : 바인더를 96 : 4의 중량비로 슬러리를 제조하여 구리 호일에 코팅하였다. 활물질로 HI-SC 합성물, 바인더로는 PVDF (polyvinyldene fluoride, POSCO ESM)을 사용하여 NMP (1-methyl-2-pyrrodidinone, Sigma aldrich)로 점도를 조절하였다. 코인 전지는 아르곤 박스에서 제작하였으며, 리튬메탈을 상대전극으로 하여 코인 타입의 반쪽 전지를 제조하였다.

데이터처리

1 C에서 사이클 테스트, 다양한 C-rate에서 율속 테스트를 실시하였다. 또한 ZIVE LAB MP2 (Won A Tech)를 이용하여 100kHz~0.01 Hz의 범위에서 임피던스 테스트를 진행하였다.
제조한 HI-SC 합성물의 입자 표면 관찰과 결정성 분석을 위해 FE-SEM과 XRD 분석을 실시하였으며, 저분자량이 제거된 피치의 분자량 분포와 물질의 함량을 GPC와 TGA를 통해 조사하였다. 저분자량이 제어된 피치를 탄화하여 제조한 음극활물질의 전기화학적 특성을 평가하기 위해 제조한 반쪽 전지를 WBCS 3000 Battery Cycler (Won A Tech)를 이용하여 작동 전압은 0.01 V~2.5 V로 설정하고 0.1 C에서 사이클 테스트, 다양한 C-rate에서 율속 테스트를 실시하였다. 또한 ZIVE LAB MP2 (Won A Tech)를 이용하여 100kHz~0.

성능/효과

TGA, GPC, XRD 분석 결과 피치 생성 과정에서의 개질 온도와 시간이 증가할수록 탄화 수율이 증가하고, 평균 분자량과 다분산지수 감소 및 피크 값이 증가하는 것으로 확인하였다. HI-SC (4001)을 입도 분포에 따라 율속 특성을 테스트한 결과 35 µm 이하로 입도가 조절되었을 때 초기용량과 율속특성이 우수하게 나타났다. 또한 35µm 이하로 입도가 조절된 HI-SC (3903), HI-SC (4001), HI-SC (4002)합성물의 전기화학적 특성을 분석한 결과 HI-SC (4001)에서 2 C/0.
본 연구에서는 석유계 잔사유인 PFO를 개질하여 피치를 제조한 후 hexane 용매에 녹지 않는 불용분을 탄화하여 HI-SC 음극소재를 제조하였다. TGA, GPC, XRD 분석 결과 피치 생성 과정에서의 개질 온도와 시간이 증가할수록 탄화 수율이 증가하고, 평균 분자량과 다분산지수 감소 및 피크 값이 증가하는 것으로 확인하였다. HI-SC (4001)을 입도 분포에 따라 율속 특성을 테스트한 결과 35 µm 이하로 입도가 조절되었을 때 초기용량과 율속특성이 우수하게 나타났다.
HI-SC (4001)을 입도 분포에 따라 율속 특성을 테스트한 결과 35 µm 이하로 입도가 조절되었을 때 초기용량과 율속특성이 우수하게 나타났다. 또한 35µm 이하로 입도가 조절된 HI-SC (3903), HI-SC (4001), HI-SC (4002)합성물의 전기화학적 특성을 분석한 결과 HI-SC (4001)에서 2 C/0.1C 율속특성 90%, 용량 유지율 85%로 가장 우수하게 나타남을 확인하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	흑연 음극소재의 장단점은?	리튬이차전지의 음극소재로 널리 사용되는 탄소소재는 크게 흑연, 소프트 카본, 하드 카본으로 구분된다. 그중 흑연 음극소재는 372mAh/g의 이론용량과 높은 초기 쿨롱 효율을 가지는 장점이 있지만 고 율속에서 전지 성능이 저하되는 단점이 있다[4,5]. 따라서 전해액과 부반응이 적고 고 율속에서 전지 성능이 우수한 소프트 카본이 흑연을 대체할 음극소재로 주목받고 있다[6].
	흑연 음극소재의 단점으로 인해 주목받는 음극소재는?	그중 흑연 음극소재는 372mAh/g의 이론용량과 높은 초기 쿨롱 효율을 가지는 장점이 있지만 고 율속에서 전지 성능이 저하되는 단점이 있다[4,5]. 따라서 전해액과 부반응이 적고 고 율속에서 전지 성능이 우수한 소프트 카본이 흑연을 대체할 음극소재로 주목받고 있다[6]. 소프트 카본은 석유계 피치나 코크스를 열처리하여 얻을 수 있으며 석유계 피치의 경우 유기물의 열분해 혹은 증류로 얻어지는 저온처리 탄소재료로서 처리 온도 상승과 함께 방향족화가 진행되고 탄소 전구체가 형성된다[7,8].
	리튬이차전지의 음극소재로 널리 사용되는 탄소소재는 어떻게 구분되는가?	리튬이차전지의 음극소재로 널리 사용되는 탄소소재는 크게 흑연, 소프트 카본, 하드 카본으로 구분된다. 그중 흑연 음극소재는 372mAh/g의 이론용량과 높은 초기 쿨롱 효율을 가지는 장점이 있지만 고 율속에서 전지 성능이 저하되는 단점이 있다[4,5].

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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