[논문]전기영동 증착법을 이용한 Black Phosphorus Nano Flake 리튬이온 배터리

김주윤; 박병남

doi:10.4313/jkem.2019.32.3.252

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Black phosphorus (BP) is a potential candidate for an anode in lithium ion batteries due to its high theoretical capacity and the large interlayer spacing in the monolayered phosphorene form, allowing for lithium intercalation/deintercalation. In this study, large-scale exfoliation of bulk BP was ac...

Black phosphorus (BP) is a potential candidate for an anode in lithium ion batteries due to its high theoretical capacity and the large interlayer spacing in the monolayered phosphorene form, allowing for lithium intercalation/deintercalation. In this study, large-scale exfoliation of bulk BP was accomplished using a solution of NaOH and N-methyl-2-pyrrolidone (NMP), yielding phosphorene, which can be assembled into nanoflakes using electrophoretic deposition (EPD). Through the systematic addition of NaOH and subsequent sonication, BP nanoflakes were obtained in high yields by EPD, allowing for the integration of these nanoflakes into an anode in the film state. Anodes with a charge/discharge capacity of 172 mAh/g at a rate of 200 mA/g were obtained, which are promising for battery applications through various post-film treatments.

주제어

표/그림 (3)

그림 Fig. 1. Formation of black phosphorus nanoparticles by liquid phase stripping.
그림 Fig. 2. Change in deposition amount of black thin film on SiO₂ substrate with NaOH concentration (a) 0.00 mg/ml, (b) 0.16 mg/ml, (c) 0.32 mg/ml, (d) 0.64 mg/ml, (e) 0.90 mg/ml, and (f) saturate solution.
그림 Fig. 3. (a), (b) Charge/discharge capacity and curve at 0.1 C-rate of black phosphorus EPD electrode and (c), (d) charge/discharge capacity and curve at 200 mAh/g of black phosphorus (NaOH) EPD electrode.

AI 본문요약
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문제 정의

흑린의 경우고온 고압의 조건에서 형성되며, 여러 물리적인 특성에 대한 연구가 진행되어 왔다. 우리는 이러한 흑린을 전극을 이용하여 첨가물이 없는 리튬이온 배터리를 제작하였으며, 이를 통해 흑린의 전기 화학적인 특성을 확인해보기 위한 연구를 진행하였다. 또한 흑린 nano flake를 만드는 중에 수산화나트륨(sodium hydroxide)을 첨가하여 흑린의 박리를 증가시켰다 [12,13].

제안 방법

전기화학적 특성 분석은 coin cell (CR2032)를 이용하여 리튬이온 배터리를 조립하여 진행되었다. 배터리 제작은 Ar 가스로 충진된 글러브 박스 안에서 진행되었고 음극에 Li 금속을 사용하고 양극에 전기영동 증착으로 제작된 흑린 nano flake 전극을 배치하는 반쪽 전기방식을 사용하였다. 전해질은 lithium hexafluorophosphate (LiPF6)가 1 M 농도로 ethylene carbonate (EC) 와 ethylmethyl carbonate (EMC)가 50:50 vol%로 혼합된 용매에 녹아 있는 용액을 사용하였으며, polyethene재질의 분리막을 사용하였다.
수산화나트륨의 농도에 따른 박리된 흑린 nano flake의 변화를 확인하였다. 수산화나트륨의 농도에 따른 흑린 nano flake 형성에 영향을 확인하기 위하여 그림 2에 나타내었다.
용량의 변화는 흑린의 박리증가 등의 나노구조의 추가적인 처리를 통해 용량이증가될 수 있다는 가능성을 나타낸다. 이런 직접적인 용량의 증가는 전극 형성 시 추가적인 첨가제가 사용되지 않는 전기영동 증착법을 통해 확인되었으며, 본 실험을 통하여 흑린의 고유 특성을 확인하였다.
전기화학적 특성 분석은 coin cell (CR2032)를 이용하여 리튬이온 배터리를 조립하여 진행되었다. 배터리 제작은 Ar 가스로 충진된 글러브 박스 안에서 진행되었고 음극에 Li 금속을 사용하고 양극에 전기영동 증착으로 제작된 흑린 nano flake 전극을 배치하는 반쪽 전기방식을 사용하였다.
흑린 nano flake 전극을 통하여 첨가물 없는 리튬이온 배터리를 제작하여 sodium hydroxide 첨가에 따른 용량의 변화를 확인하였으며, 충/방전 곡선으로 OH기에 의한 간접적인 영향을 확인하였다. 수산화나트륨의 첨가에 따라 nano flake의 양이 증가하여 리튬이온 배터리의 초기 용량이 91 mAh/g에서 278 mAh/g까지 증가된 것이 확인된다.
흑린 nano flake 박리 시 첨가되는 수산화나트륨에 의해 박리가 증가하는 경우 리튬이온 배터리에서의 용량이 증가되는 것이 확인된다. 흑린 nano flake 전극의 용량과 안정성을 확인하기 위해 0.1~3.0 V (vs Li/Li⁺)의전압 범위에서 충/방전이 진행되었다. 수산화나트륨이 첨가되지 않은 경우 그림 3(a)와 같이 초기 방전에서 91mAh/g의 용량을 가지며 이후 방전 용량이 55 mAh/g에서 서서히 감소하여 37 mAh/g까지 감소한 것이 확인된다.
흑린 nano flake를 형성하기 위하여 흑린 결정을 1-Methyl-2-pyrrolidinone (Sigma Aldrich, ACS reagent, ≥99.0%)용액에 0.4 mg/ml의 농도로 분산하여 4시간 동안 초음파 분산하여 박리시켰다 [12,13].

대상 데이터

1-Methyl-2-pyrrolidinone 용액은 sodium hydroxide(Sigma Aldrich, BioXtra, ≥98%)를 각각 0.0, 0.16, 0.32,0.64, 0.90 mg/ml 농도와 과포화된 혼합 용액이 사용되었다.
배터리 제작은 Ar 가스로 충진된 글러브 박스 안에서 진행되었고 음극에 Li 금속을 사용하고 양극에 전기영동 증착으로 제작된 흑린 nano flake 전극을 배치하는 반쪽 전기방식을 사용하였다. 전해질은 lithium hexafluorophosphate (LiPF6)가 1 M 농도로 ethylene carbonate (EC) 와 ethylmethyl carbonate (EMC)가 50:50 vol%로 혼합된 용매에 녹아 있는 용액을 사용하였으며, polyethene재질의 분리막을 사용하였다. 흑린 nano flake 배터리는 0.

성능/효과

수산화나트륨의 첨가에 따라 nano flake의 양이 증가하여 리튬이온 배터리의 초기 용량이 91 mAh/g에서 278 mAh/g까지 증가된 것이 확인된다. 또한 2 cycle 이후 측정되었던 가역적인 충/방전 용량의 경우 50 mAh/g에서 172 mAh/g으로 증가한 것이 확인된다. 이러한 용량의 증가는 충/방전 곡선에서 OH기의 영향에 의한 픽이 나타나지 않는 것으로 확인되는 것으로 보아 nano flake 양 증가를 통한 표면의 증가와 입자 크기 감소에 의한 영향이라고 판단된다.
흑린 nano flake 전극을 통하여 첨가물 없는 리튬이온 배터리를 제작하여 sodium hydroxide 첨가에 따른 용량의 변화를 확인하였으며, 충/방전 곡선으로 OH기에 의한 간접적인 영향을 확인하였다. 수산화나트륨의 첨가에 따라 nano flake의 양이 증가하여 리튬이온 배터리의 초기 용량이 91 mAh/g에서 278 mAh/g까지 증가된 것이 확인된다. 또한 2 cycle 이후 측정되었던 가역적인 충/방전 용량의 경우 50 mAh/g에서 172 mAh/g으로 증가한 것이 확인된다.
또한 흑린 nano flake를 만드는 중에 수산화나트륨(sodium hydroxide)을 첨가하여 흑린의 박리를 증가시켰다 [12,13]. 이를 이용해 박리된 흑린이 증가하였을 때 리튬이온 배터리의 용량이 증가하는 것을 확인하였다.
흑린 nano flake 박리 시 첨가되는 수산화나트륨에 의해 박리가 증가하는 경우 리튬이온 배터리에서의 용량이 증가되는 것이 확인된다. 흑린 nano flake 전극의 용량과 안정성을 확인하기 위해 0.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	인의 특징은?	인은 많은 동소체를 가지고 있으며 반응성이 큰 백린과 적린 등 다양한 동소체가 존재하며 그중 흑린의 경우 가장 안정한 형태이며 검은색을 띠며, 흑연과 매우 유사한 계층 구조를 가지고 있다 [9-11]. 흑린은 흑연과 비슷한 구조를 가지고 있어 층과 층 사이 간격이 넓어 흑연과 비슷한 intercalation에 의한 리튬 저장 또한 가능할 것으로 알려져 있다 [9-11].
	흑린이란?	높은 이론 용량을 가지고 있는 많은 음극 물질들이 연구되어 왔으며, 그중 인의 경우 리튬과 Li3P의 합금 형성을 통하여 2,596 mAh/g의 높은 이론 용량을 가질 수 있다 [7]. 또한 흑린의 경우 그래핀과 비슷한 층상구조를 이루어 전기전도성 또한 뛰어난 것으로 알려져 유망한 음극 소재 중 하나이다 [7,8].
	다양한 동소체 중 흑린은 어떠한 특징을 가지고 있는가?	인은 많은 동소체를 가지고 있으며 반응성이 큰 백린과 적린 등 다양한 동소체가 존재하며 그중 흑린의 경우 가장 안정한 형태이며 검은색을 띠며, 흑연과 매우 유사한 계층 구조를 가지고 있다 [9-11]. 흑린은 흑연과 비슷한 구조를 가지고 있어 층과 층 사이 간격이 넓어 흑연과 비슷한 intercalation에 의한 리튬 저장 또한 가능할 것으로 알려져 있다 [9-11]. 흑린의 경우고온 고압의 조건에서 형성되며, 여러 물리적인 특성에 대한 연구가 진행되어 왔다. 우리는 이러한 흑린을 전극을 이용하여 첨가물이 없는 리튬이온 배터리를 제작하였으며, 이를 통해 흑린의 전기 화학적인 특성을 확인해보기 위한 연구를 진행하였다.

참고문헌 (15)

M. Armand and J. M. Tarascon, Nature, 451, 652 (2008). [DOI: https://doi.org/10.1038/451652a]

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V. Etacheri, R. Marom, R. Elazari, G. Salitra, and D. Aurbach, Energy Environ. Sci., 4, 3243 (2011). [DOI: https://doi.org/10.1039/C1EE01598B]

상세보기
K. Kang, Y. S. Meng, J. Breger, C. P. Grey, and G. Ceder, Science, 311, 977 (2006). [DOI: https://doi.org/10.1126/science.1122152]

상세보기
P. Poizot and F. Dolhem, Energy Environ. Sci., 4, 2003 (2011). [DOI: https://doi.org/10.1039/C0EE00731E]

상세보기
Y. S. Hu, P. Adelhelm, B. M. Smarsly, S. Hore, M. Antonietti, and J. Maier, Adv. Funct. Mater., 17, 1873 (2007). [DOI: https://doi.org/10.1002/adfm.200601152]

상세보기
N. A. Kaskhedikar and J. Maier, Adv. Mater., 21, 2664 (2009). [DOI: https://doi.org/10.1002/adma.200901079]

상세보기
L. Q. Sun, M. J. Li, K. Sun, S. H. Yu, R. S. Wang, and H. M. Xie, J. Phys. Chem. C, 116, 14772 (2012). [DOI: https://doi.org/10.1021/jp302265n]

상세보기
X. Ling, H. Wang, S. Huang, F. Xia, and M. S. Dresselhaus, Proc. the National Academy of Sciences of the United States of America, 112, 4523 (2015). [DOI: https://doi.org/10.1073/pnas.1416581112]

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J. Sun, H. W. Lee, M. Pasta, H. Yuan, G. Zheng, Y. Sun, Y. Li, and Y. Cui, Nat. Nanotechnol., 10, 980 (2015). [DOI: https://doi.org/10.1038/NNANO.2015.194]

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J. Sun, G. Zheng, H. W. Lee, N. Liu, H. Wang, H. Yao, W. Yang, and Y. Cui, Nano Lett., 14, 4573 (2014). [DOI: https://doi.org/10.1021/nl501617j]

상세보기
C. M. Park and H. J. Sohn, Adv. Mater., 19, 2465 (2007). [DOI: https://doi.org/10.1002/adma.200602592]

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Z. Guo, H. Zhang, S. Lu, Z. Wang, S. Tang, J. Shao, Z. Sun, H. Xie, H. Wang, X. F. Yu, and P. K. Chu, Adv. Funct. Mater., 25, 6996 (2015). [DOI: https://doi.org/10.1002/adfm.201502902]

상세보기
J. R. Brent, N. Savjani, E. A. Lewis, S. J. Haigh, D. J. Lewis, and P. O'Brien, Chem. Commun., 50, 13338 (2014). [DOI: https://doi.org/10.1039/C4CC05752J]

상세보기
D. H. Ha, L. M. Moreau, S. Honrao, R. G. Hennig, and R. D. Robinson, J. Phys. Chem. C, 117, 14303 (2013). [DOI: https://doi.org/10.1021/jp402939e]

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N. Muralidharan, M. Li, R. E. Carter, N. Galioto, and C. L. Pint, ACS Energy Lett., 2, 1797 (2017). [DOI: https://doi.org/10.1021/acsenergylett.7b00478]

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