[논문]리튬전지용 금속황화물 전극의 전기화학적 특성에 관한 연구

유호석; 김인수

doi:10.7316/khnes.2020.31.1.138

리튬전지용 금속황화물 전극의 전기화학적 특성에 관한 연구
Research of Electrochemical Properties with Metal Sulfide Electrode for Lithium Batteries 원문보기

한국수소 및 신에너지학회 논문집 = Transactions of the Korean Hydrogen and New Energy Society, v.31 no.1, 2020년, pp.138 - 143

유호석 (경운대학교 항공신소재공학과) , 김인수 (경운대학교 항공신소재공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Metal sulfides are good candidates for cathode materials. Especially, iron sulfides and nickel sulfides have been demonstrated to be potential electrode materials among metal sulfides due to nontoxicity and high theoretical specific capacities. Electrochemical properties (capacity, cycle life, stability etc.) of Li/iron sulfides or nickel sulfides cell were improved by methode such as coating, doping of material, and nanoization of materials etc.

주제어

표/그림 (1)

표 Table 1. Theoretical capacity and voltage of various sulfide cathode for lithium cell

AI 본문요약
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문제 정의

1 V 이하)처럼 사용되었다. 본고에서는 다양한 황화물 중 리튬전지용 양극 활물질에 많이 사용되는 대표적인 황화물인 황화철과 황화니켈을 이용한 리튬전지에 대하여 정리하였다.

제안 방법

고온에서는 좋은 특성을 가지는 열전지의 경우 가열하기 위한 장치, 사이클 특성 등의 실제 장치에 따른 효율이 낮아 상온에서 평가하였다. 이차전지로의 활용은 전기화학적 특성이 좋지 않으며, 특히 사이클 특성이 매우 낮아 일차전지로의 활용이 연구되었다.
그 전극 물질을 사용한 결과 사이클 특성이 향상되었다고 보고하였다. 사이클 향상을 위하여 제조된 이러한 활물질을 음극으로 활용하여 실험하였다. 하지만 높은 전압 평탄 구간의 감소는 거의 없으므로 양극으로 활용이 가능할 것이다.

대상 데이터

순수한 육방정의 NiAs-형태의 α-NiS 상과 침상의 사방육면체 β-NiS를 제조하였다.

이론/모형

용매열 합성법(solvo thermal process)을 이용하여 Wang 등26)은 순수한 Ni3S2와 혼합된 Ni7S6–NiS를 제조하였다.

성능/효과

)와 리튬 금속과의 반응에 의한 문제점을 줄여 리튬/황화철 전지의 사이클을 증가시켰다. 그 결과 초기 방전용량의 경우 800 mAh/g 이상의 방전 용량을 나타내었으며, 200사이클 이후에도 350 mAh/g 이상의 방전 용량을 유지하는 것을 관찰하였다.
은 나노구조의 니켈황화물(NiS)을 제조하여 리튬 이차전지에 적용하였다. 또한 카보네이트계 전해질(ethylene carbonate [EC] + dimethyl carbonate [DMC])과 글리미계 전해질(poly [ethylene glycol] dimethyl ether [PEGDME])을 사용하여 실험을 한 결과 PEGDME 전해질을 사용한 것이 EC + DMC 전해질을 사용하였을 때보다 높은 용량과 사이클 특성을 나타내었다.
요약하면 니켈황화물은 다양한 형태로 존재하고 있으며 그것에 따라 이론용량이 다르지만 높은 용량과 저비용 때문에 배터리 적용을 위하여 높은 관심을 보였다. 그러나 황화물이 가지는 단점인 부피 변화와 낮은 사이클 특성은 다양한 방법들로 해결하였다.
그러나 부피의 변화의 의한 활물질의 악화는 낮은 사이클 특성을 나타내며, 황화철의 낮은 전도도는 실제로 적용하는 것에도 영향을 미쳤다. 이러한 결점들을 해결하기 위하여 표면에 코팅을 하거나 복합체 등을 제조하여 입자의 크기를 작게 변화시켜 전도도와 체적 변화에 따른 문제점을 해결하였으며, 높은 표면적과 다공성을 제공하여 용량과 사이클 특 성의 향상에 도움을 주었다.
은 황화철의 사이즈가 열전지의 특성을 미치는 영향을 연구하였다. 입자의 크기가 작아질수록 방전 특성이 크게 향상되었다. 그 원인은 전지 내부저항의 감소 때문이었고 작동 온도의 감소도 발생하였으며, 입자의 크기가 작을 때에는 고온(500℃)에서는 열분해가 발생하여 자가방전이 진행되어 방전용량의 감소가 나타났다고 보고하였다.
의 용량 및 사이클 특성을 향상시켰다고 보고하였다. 표면적, 다공성, 표면형태 등과 같은 구조적인 성질을 개선과 제어를 통하여 고성능의 활물질을 개발하기에 좋은 방법인 것으로 판명되었다. 하지만 Wen 등²³⁾은 이렇게 생성된 물질을 음극으로 사용하였지만 전압이 1.
그러나 황화물이 가지는 단점인 부피 변화와 낮은 사이클 특성은 다양한 방법들로 해결하였다. 형상의 변화와 조성의 변화 등과 더불어 표면 코팅 등에 의하여 입자의 크기 변화, 전도도 향상, 반응의 안정화 등에 의하여 문제점을 해결하였으며, 그 결과 용량과 사이클 특성이 향상되었다.

후속연구

지금까지 이러한 문제를 해결하기 위하여 다양한 방법으로 연구가 진행되고 있다. 양극 활물질로는 니켈황화물과 철황화물이 유력하게 거론되고 있으며, 사이클 개선이라는 문제를 해결한다면 값이 싸고 높은 용량을 가지는 리튬 이차전지의 개발을 앞당길 수 있을 것이다.
사이클 향상을 위하여 제조된 이러한 활물질을 음극으로 활용하여 실험하였다. 하지만 높은 전압 평탄 구간의 감소는 거의 없으므로 양극으로 활용이 가능할 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	전지란?	일반적으로 활물질의 화학적 에너지를 전기화학적인 반응을 통하여 전기에너지를 생산하는 장치를 전지라고 일컫는다. 이러한 전지는 전기화학 반응에 의하여 한번 전기에너지를 생산(방전)하는 것은 일차전지와 반복적으로 전기 생산(방전) 후 다시 전기 공급에 의하여 활물질에 화학에너지를 생성시켜 사용(충전)할 수 있는 이차전지로 구분된다.
	금속 황화물이 높은 이론용량과 낮은가격에도 상업화에 성공하지 못한 이유	높은 이론용량과 낮은 가격 때문에 금속 황화물은 유황과 더불어 리튬전지용 양극 활물질로 각광을 받고 있다. 그럼에도 불구하고 리튬 이온전지에 비하여 짧은 사이클 수명 때문에 상업화에 성공하지 못하고 있다. 지금까지 이러한 문제를 해결하기 위하여 다양한 방법으로 연구가 진행되고 있다.
	리튬 이온전지의 단점	이차전지 중 리튬전지는 우수한 사이클 특성과 높은 전압, 고용량 등에 의하여 소형 휴대전원으로부터 운송수단의 동력원, 중·대형 전력 저장 등에도 사용되고 있다. 이러한 리튬전지는 리튬 금속을 사용하지 않는 리튬 이온전지와 리튬 금속을 사용하는 리튬 유황전지, 리튬 황화물 전지 등이 있다. 리튬 이온전지에 사용되는 양극 활물질은 코발트(Co), 니켈(Ni) 등과 같은 전이금속으로 값이 비싸고 중금속으로 환경적으로 유해하고, 에너지 밀도가 낮다는 단점이 있다. 유황(S), 금속 황화물(MS)의 경우 이론 용량이 크며, 자원이 풍부하여 가격이 낮다는 장점을 가지고 있으나 전압이 음극으로 사용하기에는 높고, 양극으로 사용하기에는 낮은 단점을 가지고 있다.

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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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