최근 휴대용 기기의 급속한 발전이 이뤄지고, 다양한 전자제품에서 높은 성능의 이차 전지가 요구됨에 따라 고에너지밀도 특성을 가능케 하는 전극 재료의 연구가 주목받고 있다. 음극의 경우, 기존에 사용하고 있는 흑연재료를 대체하기 위하여 실리콘, 주석 등의 소재와 전이금속 산화물을 새로운 음극재료로 사용하려고 한다. 리튬바나듐 옥사이드는 리튬 전이금속 산화물 기반의 음극 소재로서 흑연 대비 1.5배의 부피당 용량을 나타낼 수 있다는 장점을 가지고 있으나, 낮은 전기전도도와 입자 파쇄현상으로 인하여 전해질의 분해가 가속화되어 성능이 열화되는 문제점을 가지고 있다. 본 연구에서는 이러한 문제를 개선시키기 위하여 전해질 첨가제를 도입하여 전극/전해질 계면의 개질에 따른 리튬 바나듐 옥사이드의 전기화학적 거동 특성을 보고자 하였다.
최근 휴대용 기기의 급속한 발전이 이뤄지고, 다양한 전자제품에서 높은 성능의 이차 전지가 요구됨에 따라 고에너지밀도 특성을 가능케 하는 전극 재료의 연구가 주목받고 있다. 음극의 경우, 기존에 사용하고 있는 흑연재료를 대체하기 위하여 실리콘, 주석 등의 소재와 전이금속 산화물을 새로운 음극재료로 사용하려고 한다. 리튬 바나듐 옥사이드는 리튬 전이금속 산화물 기반의 음극 소재로서 흑연 대비 1.5배의 부피당 용량을 나타낼 수 있다는 장점을 가지고 있으나, 낮은 전기전도도와 입자 파쇄현상으로 인하여 전해질의 분해가 가속화되어 성능이 열화되는 문제점을 가지고 있다. 본 연구에서는 이러한 문제를 개선시키기 위하여 전해질 첨가제를 도입하여 전극/전해질 계면의 개질에 따른 리튬 바나듐 옥사이드의 전기화학적 거동 특성을 보고자 하였다.
The demand for LIBs with higher energy densities has increased continuously because the emergence of wider and more challenging applications including HEV and EV has became imperative. However, in the case of anode material, graphite is insufficient to meet this need. To meet such demand, several ty...
The demand for LIBs with higher energy densities has increased continuously because the emergence of wider and more challenging applications including HEV and EV has became imperative. However, in the case of anode material, graphite is insufficient to meet this need. To meet such demand, several type of negative electrode materials like silicon, tin, SiO, and transition metal oxide have been investigated for the advanced lithium secondary batteries. Recently, lithium vanadium oxide, which has a layered structure, is assumed as one of the promising anode material as alternative of graphite. This material shows a high volumetric capacity, which is 1.5 times higher than that of graphite. However, relative low electrical conductivity and particle fracture, which results in the electrolyte decomposition and loss of electric contact between electrode, induce rapid capacity decay. In this report, we investigated the effect of electrolyte additive on the electrochemical characteristics of lithium vanadium oxide.
The demand for LIBs with higher energy densities has increased continuously because the emergence of wider and more challenging applications including HEV and EV has became imperative. However, in the case of anode material, graphite is insufficient to meet this need. To meet such demand, several type of negative electrode materials like silicon, tin, SiO, and transition metal oxide have been investigated for the advanced lithium secondary batteries. Recently, lithium vanadium oxide, which has a layered structure, is assumed as one of the promising anode material as alternative of graphite. This material shows a high volumetric capacity, which is 1.5 times higher than that of graphite. However, relative low electrical conductivity and particle fracture, which results in the electrolyte decomposition and loss of electric contact between electrode, induce rapid capacity decay. In this report, we investigated the effect of electrolyte additive on the electrochemical characteristics of lithium vanadium oxide.
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
문제 정의
본 연구에서는 이러한 문제점을 개선시키기 위하여 전해질 첨가제를 도입함으로써, 리튬 바나듐 옥사이드의 계면 안정화 효과에 의한 사이클 개선 가능성을 타진하고자 하였다.
리튬 바나듐 옥사이드는 종래의 흑연전극을 대체할 만한 후보 음극재이나, 낮은 전기전도도 특성 및 부피 팽창으로 인한 입자 파쇄와 이로 인한 전기적 접촉 손실이 일어나며, 전해질의 분해로 인한 성능 열화가 동반된다는 문제점을 지니고 있다. 이러한 문제점을 개선시키기 위하여 본 연구에서는 FEC 전해질 첨가제를 도입함으로써, 리튬 바나듐 옥사이드의 계면 안정화 효과에 의한 사이클 개선 가능성을 타진하고자 하였으며, 3 wt%의 첨가제를 도입함에 따라 성능 특성이 개선됨을 확인하였다. 이는 첨가제의 분해 산물인 LiF 기반의 피막 성분이 전해질의 분해를 막고 활물질의 파쇄 완화에 기여할 수 있기 때문인 것으로 판단된다.
제안 방법
FEC 첨가제 도입에 따른 LVO 전극의 계면 특성변화를 관찰하기 위하여 X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS) 분석을 실시하였다. 분석을 실시 하기 이전에 샘플을 dimethyl carbonate (DMC)에 세척하여 전극 표면에 남아있는 전해질 염을 제거하였다.
전기화학적 특성평가 실험은 Toscat-3000U battery tester (Toyo System Co., Ltd., Japan)를 이용하여 0.005~2 V 범위에서 정전류(0.1 C)로 초기 충/방전 구동을 진행하였으며, 이 후 사이클 구동은 0.5 C-rate으로 CC/CV mode 충전, CC mode 방전과정을 진행하였다.
대상 데이터
앞절에서 기술한 LVO 전극을 작동전극(working electrode)으로 사용하였으며, 상대전극(counter electrode)으로는 리튬 금속을 사용하였다. 분리막으로는 Celgard 2400 소재를 사용하였다. 전해질의 경우, 앞서 언급한 전해질 조성에 3 wt%의 FEC를 첨가제로 사용하여 첨가제의 유/무 효과를 보고자 하였다.
추가적으로 전체 임피던스에서 각각의 전극의 저항의 영향을 분리해내기 위하여, 3전극셀(HS-3E, Hoshen Corporation)을 이용하였다. 실험을 진행하기 위하여 LVO 전극을 작동전극을 사용하였으며, 상대전 극과 기준전극(reference electrode)는 리튬 금속을 사용하였다.
LVO 전극의 전기화학적 특성을 보기 위하여 CR2032 coin type 의 형태로 전지를 조립하였다. 앞절에서 기술한 LVO 전극을 작동전극(working electrode)으로 사용하였으며, 상대전극(counter electrode)으로는 리튬 금속을 사용하였다. 분리막으로는 Celgard 2400 소재를 사용하였다.
16) 전기화학적 평가를 진행하기 위하여, 90 wt% LVO와 5 wt% Poly(vinylidene fluoride) (PVdF, Aldrich, Mw =536,000), 5 wt%의 Super-P (Timcal) 조성으로 Nmethyl-2-pyrrolidone (NMP) 기반 슬러리를 제작하여 구리 호일에 슬러리를 코팅하였으며, 110도에서 2시간 건조하였다. 전해질은 1M LiPF 6 염과 ethylene carbonate (EC), diethyl carbonate (DEC)가 1:1의 부피비로 혼합된 조성을 기본 조성으로 제작하였으며, 전해질 첨가제로는 fluoroethylene carbonate (FEC)를 사용하였다.
이론/모형
17) 따라서 개질된 표면 필름이 전해질의 추가 반응을 억제할 수 있어야 한다. 이러한 특성이 LVO 전극에서 효과적으로 작용하는지를 보기 위하여 코인셀을 사용하여 순환전류 전압법( Cyclic voltammetry, CV)를 진행하여 그 결과를 Fig. 1에 나타내었다.
이외에도, 사이클 구동후의 LVO 전극의 몰폴로지변화를 관찰하기 위하여, FE-SEM 측정을 실시하였다. Fig.
성능/효과
5 C 구동 조건에서의 사이클 구동 특성을 나타내었다. 50 사이클이 구동되는 동안, 기준 전해질로 구동한 셀에 서는 53.8%의 초기 방전용량이 유지되었으나, 전해질 첨가제가 들어간 경우에는 57.5%의 초기 방전용량이 유지됨으로 전해질 첨가제가 도입됨에 따라서 개선된 사이클 특성을 확인할 수 있었다.
7(b),(d)에서 확인할 수 있었다. 이러한 결과들을 미루어보아 FEC 첨가제가 LVO 전극의 표면을 개질하고 개질된 피막은 전해질의 분해와 활물질의 입자 파쇄를 완화시키는 데에 영향을 주는 것을 확인할 수 있었다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
리튬메탈 음극의 특징은 무엇인가?
리튬메탈 음극의 경우, 가장 가벼운 소재와 낮은 환원전위 (-3.045 V vs. SHE)를 가진다. 1-2) 또한, 무게당 부피당 용량도 3860 mAh/g, 2060 mAh/cm 3 로 높다. 그렇지만 리튬 덴드라이트 형성에 의한 안전성 문제와 전해질의 분해에 의한 성능열화가 문제로 남아있다.
첨가제가 음극에 작용하기 위한 조건은 무엇인가?
첨가제가 음극에서 작용하기 위해서는 기본적으로 전해질의 분해가 일어나기 전에 첨가제 성분이 환원되어야 한다. 17) 따라서 개질된 표면 필름이 전해질의 추가 반응을 억제할 수 있어야 한다.
리튬메탈 음극을 사용할 시 문제점은 무엇인가?
1-2) 또한, 무게당 부피당 용량도 3860 mAh/g, 2060 mAh/cm 3 로 높다. 그렇지만 리튬 덴드라이트 형성에 의한 안전성 문제와 전해질의 분해에 의한 성능열화가 문제로 남아있다. 3-5) 또다른 음극 재료인 실리콘의 경우, 3580 mAh/g와 낮은충/방전 전위 (0.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.