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제116회 대한화학회 학술발표회, 총회 및 기기전시회 안내 Multilength-Scale Structural Engineering of Electrode Materials for High Performance Li-Ion Batteries

등록일
2015년 8월 27일 16시 07분 50초
접수번호
0971
발표코드
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발표시간
목 15시 : 00분
발표형식
심포지엄
발표분야
재료화학 - Recent Trends in Materials Research for Emerging Electricity Storage Devices
저자 및
공동저자
박병우
서울대학교 공과대학 재료공학부, Korea

  전기자동차의 상용화에 있어 장벽들은 배터리의 문제점과 직결되는데 특히 전기자동차의 절반이상을 차지하는 비용과 발열문제로 인한 위험성은 전기자동차 배터리에서의 가장 큰 이슈라고 할 수 있다. 이에 높은 안정성과 수명특성을 지니면서 고 에너지 밀도를 가지기 위한 대안 활물질로써 Li4Ti5O12 와 LiMnPO4 를 소개하고자 한다.
   음극재 중의 하나인 Li4Ti5O12 의 경우 높은 lithiation 전압으로 인해 리튬의 수지상 반응과 solid electrolyte interface 와 같은 부반응을 막아줄 뿐만 아니라 lithiation 과정에서 부피변화가 0.2%에 불과하기 때문에 안정성과 수명특성에 있어 큰 장점을 가지고 있다. 하지만 낮은 전기전도도로 인해 고속 충·방전에서 수명이 저하되고 에너지 밀도가 낮다는 단점을 가지고 있다. olivine 구조를 가지는 양극재인 LiMnPO4 는 환경친화적인 망간과 그 구조적 안정성으로 인해 큰 관심을 받았지만 낮은 전기 전도도와 1-D diffusion channel 로 인한 낮은 리튬 이온 확산도로 인해 상용화에 큰 어려움이 있었다.
   이렇게 앞서 소개한 Li4Ti5O12, LiMnPO4 활물질의 단점들을 보안하기 위해 시도한 Multilength-Scale Structural Engineering 을 본 발표에서 말하고자 한다. 우선 음극재의 Li4Ti5O12 의 경우 graphene oxide 을 활용한 전구체 TiO2 에 고체상 반응을 통해, 단결정 Li4Ti5O12 에 graphene 을 균일하게 wrapping 함으로써 Li4Ti5O12 의 낮은 전기 전도도를 보완하였고, 이로 인해 10 C 에서 ~150 mAh g-1 의 높은 방전용량을 구현하였다. 또한 양극재 LiMnPO4 의 경우 solvothermal 방법으로 LiMnPO4 aggregates 의 합성을 시도하였고, 약 30 나노 크기의 일차입자로 이루어진 마이크론 크기의 aggregates 는 ~1.2 g cm-3 의 높은 tap density 를 보였다. 여기에 더불어 LiMnPO4 aggregates 표면의 카본코팅으로 전기화학적 특성 향상을 보였다. 이와 같이 본 연구진은 다양한 scale 에서의 구조적 제어를 통해 재료 물성을 변화 시킴으로써 리튬 이온 배터리의 performance 향상에 큰 영향을 보임을 확인하였고, 이를 다양한 분석들을 통해서 정량적으로 파악하였다.

References
[1] Y. Oh, S. Nam, S. Wi, J. Kang, T. Hwang, S. Lee, H. H. Park, J. Cabana, C. Kim, and B. Park, J. Mater. Chem. A 2, 2023 (2014).
[2] H. Wang, Y. Yang, Y. Liang, L. F. Cui, H. S. Casalongue, Y. Li, G. Hong, Y. Cui, and H. Dai, Angew. Chem. Int. Ed. 123, 7502 (2011).


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