[논문]리튬이온 전지용 바이오매스 기반 음극재 개발

정재윤; 이동준; 허정원; 임두현; 서양곤; 안주현; 최창호

doi:10.7464/ksct.2020.26.2.131

리튬이온 전지용 바이오매스 기반 음극재 개발
Development of Biomass-Derived Anode Material for Lithium-Ion Battery 원문보기

청정기술 = Clean technology, v.26 no.2, 2020년, pp.131 - 136

정재윤 (경상대학교 화학공학과) , 이동준 (경상대학교 화학공학과) , 허정원 (경상대학교 화학공학과) , 임두현 (경상대학교 화학공학과) , 서양곤 (경상대학교 화학공학과) , 안주현 (경상대학교 화학공학과) , 최창호 (경상대학교 화학공학과)

초록
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기존의 석유계부산물 기반 음극재의 대체물질을 개발하고자, 친환경적이며 가격이 저렴한 대나무 기반 1차 탄화숯을 저온 흑연화 공정을 통해 흑연으로 전환 후 음극재로 활용하였다. 저온 흑연화 공정을 위해 탄화철을 촉매로 사용하였으며, 첨가된 탄화철의 양에 따라 흑연화 정도를 X선 회절기(x-ray diffraction, XRD), 라만 분광기(raman spectroscopy), TEM (transmission electron microscopy)을 사용하여 분석 한 후 탄화철의 최적 양을 결정하였다. 가스흡착법(brunauer-emmett-teller, BET)를 사용하여 흑연화 숯의 기공특성도 분석하였다. 분석 결과 촉매 표면을 중심으로 비정질의 탄소가 흑연으로 전환되었으며, 흑연화 공정 후 촉매를 제거하기 위해 산 처리를 하는 동안 기존의 1차 탄화숯보다 크기가 큰 기공이 형성되어 상대적으로 표면적이 줄어들었다. 최적 양의 촉매를 사용하여 제조된 흑연화 숯을 음극재로 활용하여 전지성능을 분석한 결과 1차 탄화숯과 비교하여 방전용량과 충방전 효율이 증가하였다. 이는 흑연화 공정으로 비정질의 탄소가 흑연으로 전환되었기 때문으로 추정되며, 전지성능을 더욱 향상시키기 위해서는 탄화철 촉매의 크기를 최대한 작게 조절하고, 흑연화 숯의 입자크기를 균일화 하는 연구가 필요할 것으로 사료된다.

Abstract ▼ AI-Helper

Biomass bamboo charcoal is utilized as anode for lithium-ion battery in an effort to find an alternative to conventional resources such as cokes and petroleum pitches. The amorphous phase of the bamboo charcoal is partially converted to graphite through a low temperature graphitization process with iron oxide nanoparticle catalyst impregnated into the bamboo charcoal. An optimum catalysis amount for the graphitization is determined based on the characterization results of TEM, Raman spectroscopy, and XRD. It is found that the graphitization occurs surrounding the surface of the catalysis, and large pores are formed after the removal of the catalysis. The formation of the large pores increases the pore volume and, as a result, reduces the surface area of the graphitized bamboo charcoal. The partial graphitization of the pristine bamboo charcoal improves the discharge capacity and coulombic efficiency compared to the pristine counterpart. However, the discharge capacity of the graphitized charcoal at elevated current density is decreased due to the reduced surface area. These results indicate that the size of the catalysis formed in in-situ graphitization is a critical parameter to determine the battery performance and thus should be tuned as small as one of the pristine charcoal to retain the surface area and eventually improve the discharge capacity at high current density.

주제어

표/그림 (6)

그림 Figure 1. (a) XRD patterns and (b) Raman spectra of the carbonized charcoal and graphitized charcoal treated with 2, 3, 6 and 9 mM of catalysis.
그림 Figure 2. SEM images of carbonized charcoal (a, b) and graphitized charcoal treated with 6 mM catalysis (c, d).
그림 Figure 3. TEM images of graphitized charcoal treated with 6 mM catalysis.
그림 Figure 4. N₂ sorption isotherms and its pore size distribution of carbonized charcoal (a, c) and graphitized charcoal treated with 6 mM (b, d).
그림 Figure 5. Charge-discharge curves of carbonized charcoal (a) and graphitized charcoal treated with 6 mM catalysis (b) and Comparison of the capacity retention (c).
그림 Figure 6. Discharge capacity at the various current densities of carbonized charcoal (a) and graphitized charcoal treated with 6 mM catalysis.

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구는 대나무를(맹종죽) 활성탄으로 만드는 과정 중에 생산되는 1차 탄화숯을 저온 촉매-흑연화공정을 거쳐 음극재로 사용하고자 하는데 목적이 있다. 따라서, 1차 탄화숯의 비결정 카본에 촉매양을 달리하여 흑연화 정도를 분석하였고 이를 전지의 음극재로 사용하여 충･방전 실험을 하였다.

제안 방법

[16]는 비교적 낮은 온도(~1000 ℃)에서의 열처리 과정에서 Fe, Ni 등과 같은 전이금속촉매가 바이오매스의 탄소 매트릭스 사이에 침투하여 비정질구조를 규칙적인 구조로 전환시켜 결정성을 갖게 하는 흑연화를 진행한다는 결과를 보고하였다. 따라서 본 연구에서는 자연 친화적이며 가격 경쟁력이 우수하고 매장량이 풍부한 대나무를 전구체로 선택하였고 Fe를 촉매로 채택한 전이금속 촉매법을 진행하여 저온에서의 흑연화를 진행하였다[17]. 이때, 맹종죽을 탄화하여 얻은 숯에 Fe 촉매의 양을 변화시켜가며 최적의 성능을 내는 비율에 관해 연구하였다.
본 연구는 대나무를(맹종죽) 활성탄으로 만드는 과정 중에 생산되는 1차 탄화숯을 저온 촉매-흑연화공정을 거쳐 음극재로 사용하고자 하는데 목적이 있다. 따라서, 1차 탄화숯의 비결정 카본에 촉매양을 달리하여 흑연화 정도를 분석하였고 이를 전지의 음극재로 사용하여 충･방전 실험을 하였다.

대상 데이터

산이 제거된 흑연화 숯을 실내온도 70 ℃ 건조기에 넣고 24 h 건조하였다. 건조된 흑연화 숯을 활물질로 사용하였고, 활물질, 도전제(Super-P), 바인더(PVDF)의 질량비를 80 : 10 : 10로 하여 40 mL NMP (1-methyl-2-pyrrodidinone, Sigma Aldrich) 용매에 혼합 후 슬러리를 제조하였다. 제조된 슬러리를 구리 집전체 위에 코팅 후 60 ℃ 진공 건조기에 넣은 후 2 h 건조하였다.
바이오매스 기반 대나무 1차 탄화숯을 저온 촉매 흑연화 공정을 거쳐 흑연으로 전환 후 음극재로 활용하였다. TEM, XRD, 라만분광도로 1차 탄화숯의 흑연화 정도를 분석한 결과탄화철 촉매 표면을 중심으로 흑연이 생성됐음을 확인하였다.
본 연구에서는 이와 같은 문제점을 해결하기 위한 노력으로자연 친화적이며 원가가 저렴한 바이오매스 기반 대나무(맹종죽) 1차 탄화숯을 음극활물질 원료로 사용하였다. 1차 탄화숯을 흑연으로 전환하기 위하여 저온 촉매 공정을 활용하였다.

이론/모형

X-선 회절법(x-ray diffractometer, XRD BRUKER (D8 Advance A25))과 라만분광기(raman spectroscpty, Horiba (LabRAMHR800)) 분석을 통해 결정화도를 분석하였고 주사전자현미경(scanning electron microscope, SEM JEOL (JSM-7610F))을 통해서 입자 크기를, 에너지 분산형 X-선 분광법(energy dispersivex-ray spectroscopy, EDS)를 통해 조성비를 분석하였다. 가스흡착법(brunauer-emmett-teller, BET, specific surface area analyzer, micromeritics (3 Flex)) 비표면적 분석 장비를 통해서 숯과 흑연화 숯의 비표면적과 기공 크기를 분석하였다.
정전류 충･방전법(galvanostatic charge-discharge)을 이용하여Li/전해질/대나무 숯의 전기화학적 특성을 조사하였다. 전지 조립시 상대극은 리튬 금속을 사용하였고 분리막은 polypropylene(PP)인 celgard^®2400를 사용하였다.

후속연구

본 연구 결과를 토대로 볼 때, 전지성능이 우수한 흑연화 숯기반 음극재를 생산하기 위해서는 흑연화 공정 시 형성되는 촉매의 크기를 최대한 줄여, 촉매 제거 후 생성되는 기공의 크기를 줄임에 따라 표면적을 넓히는 방법과, 흑연화 숯의 입자 크기를 보다 균일하게 생산하는 연구가 필요할 것으로 사료된다.
흑연화 숯이 1차 탄화숯과 비교하여 방전용량 및 충방전효율이 높아짐을 전지성능 분석을 통해 확인했으며, 이는 1차 탄화숯의 비정질 탄소가 흑연으로 전환되었기 때문으로 사료된다. 흑연화 공정에서 사용된 탄화철 촉매의 크기를 줄이고 균일한 크기의 탄화 숯을 활용한다면 더욱 우수한 전지성능의 음극재가 생산될 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	리튬 이차전지의 장점은?	이를 해결하기 위해서는 재생에너지를 생성해야 할뿐 아니라 생성된 재생 에너지를 저장할 수 있는 장치가 필요한데, 대표적으로 리튬 이차전지를 들 수 있다. 리튬 이차전지의 4대 요소 중 하나인 음극재를 개발하기 위해 초기에는 리튬 금속이 사용됐는데, 리튬 금속은 높은 용량을 재현할 수 있으나 계속되는 충･방전 과정에서 리튬 금속표면에 덴드라이트 현상으로 인해 전지가 단락이 되는 문제점이 발생됐다.
	흑연화 공정을 거친 인조 흑연의 장점은 무엇인가?	천연 흑연은 가격이 저렴하며 높은 저장용량을 자랑하지만 구조상 가장자리 면이 노출되면서 전해질의 침투나 분해반응으로 인한 구조의 붕괴로 비가역 반응이 크게 나타난다는 단점이 있다[9,10]. 이에 반해 고온에서 흑연화 공정을 거쳐 만든 인조 흑연은 천연 흑연보다 구조가 안정적이며 결정구조의 변화가 작아 상대적으로 수명이 길다[11,12]. 하지만 현재 석유계 부산물을 주된 원료 공급재로 활용하고 있어 환경적으로 문제가 되며 고온에서 복잡한 공정을 거치기 때문에 천연 흑연에 비해 가격이 비싸다는 문제점도 안고 있어 이를 해결할 방안이 필요하다[11-14].
	덴드라이트 현상의 해결책은 무엇이었는가?	리튬 이차전지의 4대 요소 중 하나인 음극재를 개발하기 위해 초기에는 리튬 금속이 사용됐는데, 리튬 금속은 높은 용량을 재현할 수 있으나 계속되는 충･방전 과정에서 리튬 금속표면에 덴드라이트 현상으로 인해 전지가 단락이 되는 문제점이 발생됐다. 이를 해결하기 위해 탄소재료를 음극활물질로 사용하기 시작했다. 탄소재료 내부로 리튬이온이 삽입될 수 있으며 탄소재료의 반응전위가 리튬 금속에 매우 가까울 뿐 아니라, 반복되는 충･방전 과정에서 결정구조 변화가 작아 안정한 상태에서 지속적인 산화환원 반응이 가능하여 탄소재료가 지배적인 음극활물질로 자리매김 하였다[3-6].

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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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