[논문]리튬이온 이차전지용 고용량 KVO3 음극의 전기화학적 성능개선

김태훈; 김경래; 박환동; 김해빈; 류지헌

doi:10.5229/jkes.2019.22.4.148

리튬이온 이차전지용 고용량 KVO3 음극의 전기화학적 성능개선
Improvement of Electrochemical Performance of KVO3 as High Capacity Negative Electrode Material for Lithium-ion Batteries 원문보기

전기화학회지 = Journal of the Korean Electrochemical Society, v.22 no.4, 2019년, pp.148 - 154

김태훈 (한국산업기술대학교생명화학공학과) , 김경래 (한국산업기술대학교생명화학공학과) , 박환동 (한국산업기술대학교생명화학공학과) , 김해빈 (한국산업기술대학교지식기반기술.에너지대학원) , 류지헌 (한국산업기술대학교지식기반기술.에너지대학원)

초록
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바나듐 산화물계 물질은 고용량의 구현이 가능하여 리튬이온 이차전지용 음극재료로 많은 연구가 진행되어 왔다. 본 연구에서는 새로운 음극물질로써 포타슘 메타바나데이트($KVO_3$)를 합성하였으며, 이를 음극 활물질로서의 전기화학적 특성에 대하여 평가하였다. $NH_4VO_3$와 KOH 수용액을 당량에 맞추어 혼합한 후에 이를 가열하여 암모니아를 제거하고 건조함으로써 $KVO_3$ 분말을 손쉽게 합성할 수 있었다. 이렇게 얻어진 $KVO_3$를 300 내지 $500^{\circ}C$에서 8시간 동안 열처리하였다. 열처리 온도가 증가할 수록 초기용량은 감소하였으나, 수명과 효율은 일부 개선되는 경향을 나타내었으나 큰 차이가 나타나지 않았다. 반면에 $KVO_3$를 사용한 전지의 제조 시에 PVdF (polyvinylidene fluoride) 대신에 PAA (polyacrylic acid) 바인더를 사용한 경우 및 전해액 첨가제인 FEC (fluoroethylene carbonate) 를 적용하는 경우에 전기화학적 성능이 크게 개선되었다. 이 전지의 초기 가역용량과 쿨롱효율이 각각 1169 mAh/g과 76.3%로 개선되어 리튬이온 이차전지용 새로운 음극재료로 가능성을 기대할 수 있을 것이다.

Abstract ▼ AI-Helper

Vanadium oxide based materials have been studied as novel negative electrode materials in lithium-ion batteries (LIBs) because of their high specific capacity. In this study, potassium metavanadate ($KVO_3$) was synthesized and its electrochemical properties are evaluated as a negative electrode materials. The aqueous solution of $NH_4VO_3$ is mixed with a stoichiometric amount of KOH. The solution is boiled to remove $NH_3$ gas and dried to obtain a precipitate. The obtained $KVO_3$ powders are heat-treated at 300 and $500^{\circ}C$ for 8 h in air. As the heat treatment temperature increases, the initial reversible capacity decreases, but the cycle performance and Coulombic efficiency are improved slightly. On the contrary, the electrochemical performances of the $KVO_3$ electrodes are greatly improved when a polyacrylic acid (PAA) as binder was used instead of polyvinylidene fluoride (PVDF) and a fluoroethylene carbonate (FEC) was used as electrolyte additive. The initial reversible capacity of the $KVO_3$ is 1169 mAh/g and the Coulombic efficiency is improved to 76.3% with moderate cycle performance. The $KVO_3$ has the potential as a novel high-capacity negative electrode materials.

주제어

표/그림 (8)

그림 Fig. 1. Schematic diagram of the synthetic procedure for KVO₃.
그림 Fig. 2. SEM images of the synthesized KVO₃ powders: (a, b) the precipitated powders (KVO_ST) and the powders heat-treated at (c, d) 300℃ for 8 h (KVO_300) and (e, f) 500℃ for 8 h (KVO_500).
$Fig. 3. X-ray diffraction patterns of the KVO<sub>3</sub> powders with heat-treatment temperature.$ 그림 Fig. 3. X-ray diffraction patterns of the KVO₃ powders with heat-treatment temperature.
그림 Fig. 4. Voltage profiles of the Li/KVO₃ half cells with heattreatment temperature at (a) the 1^st cycle and (b) the 3^rd cycle.
그림 Fig. 5. (a) Cycle performances and (b) Coulombic efficiencies of the Li/KVO₃ half cells with heat-treatment temperature.
그림 Fig. 6. Voltage profiles of the Li/KVO₃ half cells (KVO_ST) according to the type of binder and use of the FEC additives in the electrolyte: (a) the 1^st cycle and (b) the 3^rd cycle.
그림 Fig. 7. Derivative capacity plots of the Li/KVO₃ half cells (KVO_ST) according to the type of binder and use of the FEC additives in the electrolyte at the 3^rd discharge (delithiation).
그림 Fig. 8. (a) Cycle performances and (b) Coulombic efficiencies of the Li/KVO₃ half cells (KVO_ST) according to the type of binder and use of the FEC additives in the electrolyte.

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구는 이러한 LiVO₃에서 Li⁺ 이온 대신 반경이 더 큰 K⁺ 이온을 적용한 KVO₃를 합성하고, 이를 리튬이온 이차전지용 음극활물질로 적용하여 전기화학적 특성을 평가하였고 이의 성능을 개선할 수 있는 방안을 구현하고자 하였다. 본 연구에서는 KVO₃ 합성을 위해 NH₄VO₃ 및 KOH 수용액의 가열과 건조를 통한 간단한 방법을 제안하여 활용하였다.

제안 방법

NH₄VO₃ 및 KOH을 사용한 간단한 합성법을 통하여 KVO₃를 합성하였으며, 이를 리튬이온 이차전지용 고용량 음극으로의 적용하여 전기화학적 특성을 평가하였다.
를 합성하고, 이를 리튬이온 이차전지용 음극활물질로 적용하여 전기화학적 특성을 평가하였고 이의 성능을 개선할 수 있는 방안을 구현하고자 하였다. 본 연구에서는 KVO₃ 합성을 위해 NH₄VO₃ 및 KOH 수용액의 가열과 건조를 통한 간단한 방법을 제안하여 활용하였다.

대상 데이터

1에 나타내었다. 이 합성방법에는 NH₄VO₃ (Daejung, 99.0%) 및 KOH (Junsei, 85.0%)가 사용되었다. 증류수 40 ml에 약 0.

성능/효과

PAA 바인더와 FEC 첨가제를 적용함에 따라 가역용량의 증가 및 부반응이 감소되는 결과를 얻을 수 있었으며, 1169 mAh/g 의 높은 가역용량 및 76.3%의 우수한 초기효율을 나타내었다.

후속연구

5배의 높은 용량을 나타내고 있다. 이를 통하여 KVO₃는 리튬이온 이차전지용 음극 활물질로써 사용하기에 아직은 충분한 사이클 특성을 나타내고 있지는 못하지만 매우 높은 가역용량을 지니고 있어 새로운 음극 활물질로 가능성을 검토해 볼 수 있을 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	바나듐 계 산화물(vanadium-based oxide) 중 고용량 발현이 제한받는 예시는 무엇이 있는가?	10,11) 특히 바나듐 계 산화물(vanadium-based oxide)은 산화수가 높은 바나듐의 특성상 흑연을 대체할 유망한 소재로 기대되어 왔다.12,13) 그러나 바나듐 산화물인 V2O5 의 경우는 다른 전이금속 산화물과 다르게 전환반응이 쉽게 발생되지 않기 때문에, 높은 산화수를 가졌음에도 불구하고 삽입반응을 기반으로만 활용되어 그 용량이 충분히 발현되지 않으며, 알칼리 금속을 포함하는 Li1 + xVO2와 LiV3O8의 경우에도 마찬가지로 삽입반응만 발생되어 고용량 음극 활물질로의 활용에는 제약이 있었다.14-16) 그러나, 비정질의 V2O5 를 합성하여 적용하거나 알칼리 금속을 포함하는 화합물 중에서 LiVO3 (lithium metavanadate)를 음극으로 사용하는 경우에는 전환반응에 준하는 높은 용량을 발현이 가능한 것으로 알려져 있다.
	흑연을 리튬이온 전지의 음극재로 사용할 시 한계점은 무엇인가?	기존 리튬이온 전지의 음극재로 사용되는 흑연은 우수한 안정성을 갖고 있으나 6개의 탄소 원자 당 1개의 리튬이온만 가역적으로 삽입 및 탈착할 수 있기 때문에 이론 용량이 372 mAh/g으로 제한되어 한계를 지니고 있다.4,5) 이로 인하여 탄소계가 아닌 Si, Sn, Ge 등의 합금계 음극이 높은 용량으로 큰 주목을 받았으며 충방전 중의 큰 부피변화로 인하여 수명특성에서 문제가 지적되었으나, 활물질의 형상제어, 새로운 바인더의 적용, 전해액 첨가제 등의 방법을 통하여 이를 개선해 나아가고 있다.
	리튬이온 이차전지가 적용되고 있는 분야는 무엇인가?	리튬이온 이차전지는 높은 에너지 밀도와 긴 수명 특성으로 인해 다양한 분야에 적용되고 있다. 기존 휴대용 전자기기에서 나아가 전기자동차(electric vehicle, EV) 및 전력저장용 에너지 저장장치(energy storage system, ESS) 등의 중대형 전지로 적용범위가 확장되었다. 특히 리튬이온 이차전지의 더욱 높은 에너지 밀도의 구현을 위하여, 1980년대 후반 최초의 상용 리튬이온 이차전지가 Sony Energytech 사에 의해 개발된 이래로 고용량의 새로운 활물질을 찾기 위한 연구가 계속되고 있다.

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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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