리튬이온 이차전지용 몰리브덴 산화물 기반 나노복합전극 제조 및 전기화학물성
Synthesis and Electrochemical Properties of Molybdenum Oxides-Based Nanocomposite Electrodes for Li-ion Batteries
- 주제(키워드) 전기폭발 , 몰리브덴 산화물 , 음극 , 리튬이온 이차전지
- 발행기관 고려대학교 대학원
- 지도교수 김동완
- 발행년도 2017
- 학위수여년월 2017. 8
- 학위구분 석사
- 학과 대학원 건축사회환경공학과
- 원문페이지 75 p
- 실제URI http://www.dcollection.net/handler/korea/000000077226
- 본문언어 한국어
- 제출원본 000045915143
초록/요약
국문요약 최근 환경오염의 주범으로 꼽히는 화석연료를 대체하려는 노력이 지속되고 있다. 또한 전자기기 시장의 발전과 함께 하이브리드 전기자동차, 발전용 에너지 저장장치 등 중·대형 에너지 저장장치부터 노트북, 휴대폰 등 휴대용 전자기기에 사용되는 소형 에너지 저장장치의 중요성이 증가함에 따라 전 세계적으로 대표적인 에너지 저장장치인 리튬이차전지에 대한 관심이 증가하고 있다. 리튬의 음극소재는 크게 insertion, alloying, conversion 반응으로 나누어지며 현재 상용화된 흑연 소재는 insertion 반응을 하는 소재이다. 흑연은 리튬의 삽입 및 탈리 과정에서의 구조적 변화가 크지 않아 사이클 특성이 매우 우수하다는 장점이 있지만 이론상 탄소 6개의 원자가 Li 이온 한 개를 저장하기 때문에 이론용량이 372 mAh/g 으로서 시장이 요구하는 고용량, 고밀도의 에너지 저장장치로는 부족해 차세대 음극소재에 관한 연구가 주목받고 있다. 초기에 리튬이차전지의 음극소재는 이론용량이 3,860 mAh/g으로 높은 리튬금속을 사용했으나 수지상 생성 에 의한 안정상 문제가 있어 상용화되지는 못하였다. 최근에는 alloy 반응을 하는 Si, Ge, Sn 같은 IV족 원소와 conversion 반응을 하는 Fe3O4, Co3O4, MoO3, MnO2 와 같은 전이금속산화물 음극소재가 주목받고 있다. Conversion 반응 물질은 흑연보다 수배 높은 1,000 mAh/g 내외의 이론용량을 가지고 있지만 리튬 과의 반응과정에서 수반되는 큰 부피변화에 의하여 발생하는 응력에 의해 전극의 활물질이 집전체에서 분리되는 현상이 나타나 본래의 용량과 특성을 잃어버리는 단점을 가지고 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위한 방법으로 음극소재의 나노구조화 및 탄소계 물질과의 복합구조체 합성에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다. 전극 전해질과의 접촉면적을 증가시켜 리튬과의 반응성을 향상시킬 수 있으며 리튬이온의 확산 이동거리를 줄여주어 이온 전도도를 향상시킬 수 있기 때문에 전기화학 특성을 향상시킬 수 있는 방법으로 주목받고 있다. 또한 탄소계열 물질과의 복합구조화는 구조적 안정성을 향상시켜 전지의 사이클 특성을 향상시켜 줄 뿐만 아니라 전이금속산화물의 부족한 전기전도도를 향상시켜 전기화학 특성을 향상 시킬 수 있다. 본 실험에서는 나노구조체의 합성을 위해 친환경적이며 에너지 효율이 높아 대량합성에 유리한 전기폭발법을 사용하였다. 실험공정에서 용매 및 전압과 와이어의 길이 등의 변수를 조절하여 최적의 설계조건을 찾아내었다. 분말의 합성은 그래핀이 분산된 메탄올 내에서 Mo 와이어를 전기폭발하여 Mo/MoO3/graphene 나노복합구조체를 합성하였고 DIW(deionized water) 내에서 Mo 와이어를 전기폭발하여 Mo/MoO2 colloid를 합성한 뒤 carbon cloth를 colloid에 dip coating 하여 추후 flexible 배터리의 전극으로서 활용이 가능한 전극을 제조하여 전기화학특성 분석 및 XRD, SEM, TEM 등의 물리적 분석을 진행하였다.
more목차
차례 (List of text)
국문요약...................................................................................................... 3
List of Figures........................................................................................... 5
List of Tables............................................................................................ 8
1. 서론....................................................................................................... 9
2. 이론적 배경........................................................................................... 13
2.1 이차전지의 개요................................................................................ 13
2.2 리튬이차전지의 음극소재.................................................................... 18
2.3 전기폭발법 (electrical wire explosion method, EWE method)............. 24
3. 실험방법................................................................................................ 29
3.1 실험 목적.......................................................................................... 29
3.2 전기폭발법을 통한 Mo/MoO3/graphene 및 Mo/MoO2 나노복합구조체 합성.......................................................................................................... 30
3.2.1 Mo/MoO3/graphene 합성............................................................ 30
3.2.2 Mo/MoO2 나노복합구조체 합성..................................................... 31
3.3 나노복합체 물리적 특성 평가............................................................... 31
3.4 전극 제조 및 반쪽전지 조립................................................................ 32
3.4.1 Mo/MoO3/graphene 전극제조...................................................... 32
3.4.2 Mo/MoO2@carbon cloth 전극제조............................................... 32
3.4.2 반쪽전지 조립.............................................................................. 32
3.5 전기화학적 특성 평가......................................................................... 33
4. 실험결과 및 고찰.................................................................................... 34
4.1. Mo/MoO3 물성 평가......................................................................... 34
4.1.1. 물리적 특성 평가........................................................................ 34
4.1.2. 전기화학 특성 평가..................................................................... 36
4.2. Mo/MoO3/graphene 물성 평가......................................................... 43
4.2.1. 물리적 특성 평가........................................................................ 43
4.2.2. 전기화학 특성 평가..................................................................... 45
4.3. Mo/MoO2 물성 평가......................................................................... 55
4.2.1. 물리적 특성 평가........................................................................ 55
4.2.2. 전기화학 특성 평가..................................................................... 56
5. 결론...................................................................................................... 65
참고문헌.................................................................................................... 67
