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고상법으로 합성된 리튬이온 이차전지용 음극물질로서 전이금속 피로인산화물의 전기화학적 특성
Electrochemical Characteristics of Transition Metal Pyrophosphate as Negative Electrode Materials through Solid-state Reaction 원문보기

전기화학회지 = Journal of the Korean Electrochemical Society, v.23 no.4, 2020년, pp.105 - 112  

홍민영 (한국산업기술대학교 지식기반기술.에너지대학원) ,  안상조 (한국산업기술대학교 지식기반기술.에너지대학원) ,  류지헌 (한국산업기술대학교 지식기반기술.에너지대학원)

초록
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리튬이온 이차전지용 음극 활물질 중 전환반응을 거치는 전이금속 산화물은 높은 용량을 지니고 있으나, 아직 해결되어야 하는 여러 문제점을 지니고 있다. 본 연구에서는 새로운 음극 활물질로써 망간 피로인산화물(Mn2P2O7) 및 니켈 피로인산화물(Ni2P2O7)과 이를 포함하는 탄소 복합물질을 고상법으로 간단하게 합성하였다. 망간 피로인산화물 및 니켈 피로인산화물의 초기 가역용량은 각각 333 및 340 mAh g-1의 용량을 나타내었으며, 탄소와 복합재료를 구성하면 각각 433 및 387 mAh g-1로 가역용량이 증가하였을 뿐만 아니라 초기효율도 약 10% 정도 향상되었다. 망간 피로인산화물과 탄소와의 복합재료로 구성된 활물질이 가장 높은 초기용량과 효율을 지니며, 사이클 성능도 가장 우수하였다. 다중 음이온을 포함하는 망간 피로인산화물은 망간 산화물인 MnO와 비교하였을 때, 음이온의 질량이 크기 때문에 무게당 용량은 낮았지만, 전압곡선이 기울기를 지니는 형태를 나타내면서 충전(lithiation)전압은 0.51에서 0.57 V (vs. Li/Li+)로 높아지고, 방전(delithiation)전압은 1.15에서 1.01 V (vs. Li/Li+)로 낮아졌다. 따라서, 충전과 방전에서의 전압차이가 0.64 에서 0.44 V로 크게 감소하므로 전지의 전압효율이 개선되며, 방전과정에서 음극전위가 낮아지게 되어 완전지의 작동전압을 높일 수 있다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

Transition metal oxide, which undergoes a conversion reaction in the negative electrode material for a lithium-ion batteries, has a high specific capacity, but still has several critical problems. In this study, manganese pyrophosphate (Mn2P2O7), nickel pyrophosphate (Ni2P2O7), and carbon composite ...

주제어

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문제 정의

  • 10) 본 연구에서는 전이금속이 +2가로 존재하는 망간 피로인 산화물인 Mn2P2O7과 니켈 피로인산화물인 Ni2P2O7을 선정하여, 간단하고 저비용으로 준비가 가능한 고상반응(solid-state reaction)을 적용하여 합성하였다.18-19) 이와 동시에 피로인산화물의 전자 전도성을 향상시켜서 성능을 향상시키고자 수크로스(sucrose)를 탄소 전구체로 함께 투입하여 탄소 복합재료도 함께 합성하여 리튬이온 이차전지용 음극 활물질로의 가능성을 파악 하고자 하였다. 전이금속 피로인산화물이 전이금속 산화물과 같이 전환반응이 진행된다면 아래와 같은 반응을 겪게 될 것이다.
  • 본 연구에서는 전이금속 산화물에서 음이온을 다중 음이온(polyanion)인 인산화물(phosphate)로 변경하여, 충방전 중의 부피변화를 완화시키는 동시에 전이금속과의 결합력의 차이를 통하여 전압차이도 개선시키고자 하였다.9-17) 전이금속 인산화물은 결합하는 음이온의 종류에 따라서 PO43- 음이온과 결합하는 인산화물 (phosphate), P2O74- 음이온과 결합하는 피로인산화물 (pyrophosphate), PO3- 음이온과 결합하는 메타인산화물(metaphosphate)의 형성이 가능하다.
  • 9-17) 전이금속 인산화물은 결합하는 음이온의 종류에 따라서 PO43- 음이온과 결합하는 인산화물 (phosphate), P2O74- 음이온과 결합하는 피로인산화물 (pyrophosphate), PO3- 음이온과 결합하는 메타인산화물(metaphosphate)의 형성이 가능하다. 본 연구에서는 합성이 용이한 피로인산화물을 음극재로 사용하고자 하였다. 이러한 물질 중에서 양극재로 많이 사용되어온 LiFePO4 인산화물을 음극으로 적용하고자 하는 연구들이 진행되어 왔고, 피로인산화물 중 Mn2P2O7은 용매열 합성법(solvothermal synthesis)을 통하여 합성되어 사이클 수명이 매우 부족하였지만 리튬이온 이차전지용 음극으로 사용할 수 있음이 보고된 바 있다.

가설 설정

  • 1. X-ray diffraction patterns of (a) Mn2P2O7 and (b) Ni2P2O7 powders prepared by solid-state synthesis.
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참고문헌 (19)

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