리튬이차전지 양극용 V₂O₅와 전도성고분자 PEDOT 복합 필름의 전기화학적인 제조 및 특성연구
Eletrochemical Preparation and Charaterization of V₂O₅/PEDOT Composite film for Li-battery-cathode
- 주제(키워드) 리튬2차전지 , 양극재
- 발행기관 아주대학교 대학원
- 지도교수 모선일
- 발행년도 2011
- 학위수여년월 2011. 2
- 학위명 석사
- 학과 및 전공 일반대학원 에너지시스템학부
- 실제URI http://www.dcollection.net/handler/ajou/000000011624
- 본문언어 한국어
- 저작권 아주대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
초록/요약
Flexible composite films of nanobeam-V₂O₅ and conductive polymer have been grown using the facile electrochemical polymerization method, which involves the application of anodic polymerization potential to the substrate (stainless steel gauze) electrode in solution containing monomer ethylenedioxythiophene (EDOT) with the dispersed nanobeam-V₂O₅. Poly 3,4-ethylenedioxythiophene (PEDOT) was copolymerized with a surfactant para-toluenesulfonic acid (p-TSA) to achieve thorough and smooth coating of nanobeam-V₂O₅. Thus produced conductive polymers have shown to connect the isolated V₂O₅ nanobaem structures and provide valid electrical conductive networks for the cathode electrodes. This polymer enhanced the accessibility and diffusability of Li+ ions, thereby enable nanobeam-V₂O₅/PEDOT composite film cathode to have excellent cycling stability. In this work nanobeam-V₂O₅/PEDOT composite films were galvanostatically grown by applying 15 mA to an stainless steel (SS) electrode in 0.1 M LiClO₄/CH₃CN electrolyte solution containing EDOT monomer (0.02 M) and dispersed V₂O₅ nanobeams (0.1819 g). The structure and the composite of the nanobeam-V₂O₅/PEDOT composite films were analyzed by FT-IR spectrophotometer and by thermal gravity analyzer for the amount of each constituent composition. SEM is used for analyzing the morphologies of the electrochemically prepared nanobeam-V₂O₅/PEDOT composite films. The electrochemical performance of the nanobeam-V₂O₅/PEDOT composite electrode was tested by assembling coin-type (CR2032) cells with a battery test system. High specific capacity (about 255 mAh/g) and long cycle stability (about 250 mAh/g at to 50 cycles) were obtained with the cathode of the nanobeam-V₂O₅/PEDOT (p-TSA doped) composite film.
more초록/요약
전자제품 및 차세대 전기자동차용 리튬이차전지의 친환경적이며 용량이 크고, 수명이 길고, 효율이 높은 전지소재 개발이 필요하다. 리튬이차전지는 양극, 음극, 전해질 등으로 구성되는데 그 중 이차전지의 양극 활물질로 결정구조가 층상이거나 터널형상의 공간을 포함함으로써, 리튬이온이 출입할 수 있는 산화물에 대한 연구가 활발히 진행 중이다. 고용량, 고효율 양극재 연구의 일환으로 본 연구에서는 나노형태의 무기산화물과 전도성고분자의 복합전극물질을 개발하였다. 오산화 바나듐 (V₂O₅)은 층상구조이며, 1개이상의 리튬이온이 가역적으로 결정내에 탈•삽입되어 높은 이론용량을 나타내는 양극소재이다. 또한 전극물질의 이온전도도 및 전자전도도를 크게 하고 전극의 유연성을 확보하기 위하여, 나노형태의 V₂O₅와 함께 전도성 고분자인 Poly (3,4-ethylenedioxythiophene) (PEDOT) 과의 복합물질을 전기화학적으로 합성하였다. 고분자소재의 친무기화 및 무기화합물의 친유기화에 의한 계면 안정성 향상으로 분자 차원의 물성의 상승효과를 기대한다. nanobeam-V₂O₅/PEDOT 복합체필름을 합성하기 위하여 삼전극계 전기화학시스템을 사용하였으며, 0.02 M의 ethylenedioxythiophene (EDOT) 단량체를 포함하는 0.1 M LiClO4 전해용액 50 ml에 0.1819 g nanobeam-V₂O₅를 잘 분산시켜준 후, stainless steel 거즈 전극에 산화전류를 15 mA 걸어주는 한 단계의 간단한 정전류적 방법 (galvanostatic method)을 적용하였다. 작업전극과 보조전극 모두 stainless steel거즈를 사용하였고, Ag wire를 유사기준전극으로 사용하였다. Nanobeam-V₂O₅가 분산된 EDOT 단량체 용액으로부터, nanobeam-V₂O₅/PEDOT 복합체 필름을 전기화학적으로 제조할 때, V₂O₅ 표면에 PEDOT이 균일하게 입혀지도록, 계면활성제인 para-toluensulfonic acid (p-TSA)를 PEDOT의 도펀트로 첨가하였다. p-TSA가 첨가된 PEDOT (1:2)과 nanobeam-V₂O₅의 복합체 필름은 표면에 보다 균일하게 도포시킬 수 있었다. 한 단계의 간단한 방법으로 제조한 nanobeam-V₂O₅/PEDOT 복합체 필름과 그 전해질 용액으로부터 얻어진 분말의 결정구조 및 성분비를 X-ray 회절법 (XRD), FT-IR 스펙트럼, 열분석법 (TGA)으로 확인하였으며, 전기화학적인 특성을 조사하기 위하여 cyclic voltammetry (CV)와 리튬 전지(CR2032)를 제작하여 충·방전 테스트 (정전류법 1.5 V- 4.0 V 작동구간)를 하였다. 또한 제작한 리튬전지의 임피던스를 분석하여 상변이에 따른 리튬이온의 확산계수를 계산하였다. 전기화학적으로 제조한 nanobeam-V₂O₅/PEDOT (p-TSA doped)복합체 필름이 높은 용량 (255 mAh/g)과 안정한 충·방전특성 (250 mAh/g 50 cycle 후) 등 보다 향상된 전지 특성을 나타내었다.
more목차
I. 서론 1
I.1. 연구 목적 및 필요성 1
I.2. 리튬이차전지의 원리 및 구성요소. 3
I.3. Vanadium Pentoxide (V₂O₅) 8
I.4. 전도성 고분자 13
I.5. 폴리 3,4에틸렌디옥시티오펜 (poly 3,4-ethylenedioxythiophene, PEDOT) 19
I.6. Impedance spectroscopy 23
Ⅱ. 실험 28
Ⅱ.1. 시약 28
Ⅱ.2. 실험 장치 및 기기 28
Ⅱ.3. 바나듐산화물/폴리 3,4에틸렌디옥시티오펜 (nanobeam-V₂O₅/PEDOT) 복합체 제조 29
Ⅱ.4. 바나듐산화물/폴리 3,4에틸렌디옥시티오펜 (nanobeam-V₂O₅/PEDOT) 복합체 분석 31
Ⅲ. 실험결과 및 고찰 35
Ⅲ.1. 바나듐산화물/폴리 3,4에틸렌디옥시티오펜 복합체 필름의 합성 35
Ⅲ.1. 1. 순환전압전류법에 의한 nanobeam-V₂O₅/PEDOT 복합체의 제조 35
Ⅲ.1. 2. 정전류법에 의한 nanobeam-V₂O₅/PEDOT 복합체의 제조 36
Ⅲ.2. 바나듐산화물/폴리 3,4에틸렌디옥시티오펜 복합체 필름의 물리적 성질 38
Ⅲ. 2. 1. nanobeam-V₂O₅/PEDOT 복합체 필름 전극의 구조적 특성 38
Ⅲ. 2. 2. nanobeam-V₂O₅/PEDOT 복합체 필름 전극의 전기화학적 특성 46
Ⅳ. 결론 59
V. 참고문헌 61
