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리튬-셀레늄 전지의 양극소재에 관한 연구

  • 박경암 (대학원 신소재공학과 신소재공학전공)

초록/요약

리튬이온 이차전지는 1991년 SONY 社에서 처음 개발된 이후 이동형 전자기기에 적용돼 우리 생활에 큰 변화를 가져왔다. 현재 휴대폰(Cellular phone)과, 컴퓨터(Laptop computer)로 부터 전동공구, 전기자동차(Electric Vehicle, EV), 에너지저장시스템(Energy Storage System, ESS)에 이르기까지 광범위하게 리튬이온 이차전지가 적용되고 있다. 그러나 휴대폰을 더 긴시간 동안 사용하고, 전기자동차의 주행거리를 길게 하기 위해 리튬이온전지의 고에너지 밀도화와 병행하여 새로운 차세대전지 시스템 개발에 대한 요구가 증가되고 있다. 이에 기존의 양극재료와는 다른 형태의 소재를 사용하는 전지인 Li-Air, Li-S, Li-Mg 전지 등 차세대 전지에 대한 연구가 주목 받고 있다. 본 논문에서 연구한 Li-Se 전지는 이론용량이 685 mAh/g으로 Li-S 전지(1673 mAh/g)에 비하여 낮지만 밀도가 높아, 부피비 에너지 밀도는 유사한 수준이며, 사용시 문제점은 Lithium Polyselenide가 전해질로 용해되어, 리튬폴리설파이드처럼 충방전 효율을저하시키는 것이다. 이처럼 Li-S 전지와 동일한 Shuttle reaction의 문제점을 갖고 있지만, Selenium의 전기전도도(10-6 ～ -8 S㎝?1)가 Sulfur의 전기전도도(5 × 10-30 ～ -28 S㎝?1)에 비하여 1020 S㎝?1 가량 높기 떄문에 전기화학 시스템, 특히 보다 향상된 고율특성에 유리할 수 있다. 따라서 본 연구에서는 높은 에너지 밀도를 갖는 차세대 전지소재 중의 하나인 Se 양극소재에 대한 연구를 진행하였으며, 이에 따라 수반되는 문제점을 개선하고자 하였다. Polyselenide의 용해를 줄이기 위하여, Hollow carbon sphere구조체 안에 Se을 주입하였으며, 또한, 또한 전기전도도 향상을 위하여 Carbon 구조체를 만드는 물질로 Fe-Pc를 채택하여 Graphitic carbon 구조를 갖도록 하였다. 한편, 전기화학 반응 중에 수반되는 부피팽창에 따른 용량감소 문제를 해결하기 위하여, 일반적인 PVDF 바인더보다 결착력이 더 좋은 것으로 알려진 PAA 바인더를 사용하여 극판을 제조하였다. 양극소재인 GHCS-Se 입자의 형상, 크기와 구조 등을 분석하기 위하여 SEM, XRD, Raman을 사용하였고, 충·방전, 출력 및 수명 테스트와 CV (Cyclic Voltammetry)를 측정함으로써 전기화학적 특성을 분석하였다.

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목차

Ⅰ. 서 론 1
1. 연구의 필요성 2
2. Li-Se Cell의 문제점 6
3. 이론적 배경 9
1) 양극 활물질 9
2) 음극 활물질 10
3) 전해질 10
4) 분리막 11
Ⅱ. 연구 방법 14
1. Se-C 볼밀합성 전극 소재 14
1) 재료의 준비 14
2) 전기화학 특성 14
2. Se-GHCS 복합체 15
1) 양극재료의 합성 15
2) 전기화학 특성 18
(1) 충?방전 시험 18
(2) 율특성 시험 19

2. 물성 및 특성 측정 19
1) Scanning Electron Microscope (SEM) 19
2) Raman spectroscope 19
3) X-ray Diffraction (XRD) 20
4) Particle Size Analysis（PSA) 20
5) Transmission electron microscopy(TEM) 20

Ⅲ. 결과 및 고찰 21
1. Se-C 볼밀합성 전극 소재 21
2. 흑연 중공구체 제조 25
1) 재료의 준비 25
2) GHCS의 형상 28
3) Graphitic carbon의 합성 30
4) GHCS-Se 복합체 34
5) Se-C 복합전극의 전기화학적 특성 41
6) GHCS-Se 전기화학전기화학적 특성 46

Ⅳ. 결 론 55

참고문헌 57

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