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리튬이차전지 성능 향상을 위한 주석-주석 칼코겐화물/탄소 이종계면 제어 요크-쉘 복합체 설계

Enhancing the Electrochemical Performance of Lithium-Ion Batteries via Nano-Scale Heterointerface-Engineered Yolk-Shell Sn/Sn-Chalcogenide@Carbon Composite

  • 이진형 (아주대학교 일반대학원)

초록/요약

리튬이차전지 （Lithium-ion batteries, LIB）는 고에너지 밀도 및 고속 충∙방전 성능에 대한 수요 증가에 따라 차세대 전극 소재 개발의 필요성이 높아지고 있다. 현재 상용화된 음극재인 흑연（graphite）은 낮은 이론 용량으로 인해 에너지 밀도 향상에 있어서 한계를 지닌다. 이를 극복하기 위한 대안으로 합금형 음극재가 높은 이론 용량과 낮은 구동 전위를 바탕으로 주목받고 있는 가운데, 충∙방전 과정 동안 발생하는 극심한 부피 팽창으로 인해 빠른 용량 감소와 열악한 사이클 안정성의 문제가 발생한다. 본 연구에서는 단일 분무 열분해 공정 및 후속 열처리를 통해 Sn-Sn 칼코겐화물/C 요크-쉘 이종구조체를 합성하여, 부피 팽창 문제를 완화할 뿐만 아니라 전기화학적 성능을 향상시키고자 연구를 진행하였다. 해당 복합체는 Sn-Sn 칼코겐화물 코어와 탄소 쉘이 균일하게 통합된 구조를 지니며, 각 영역 사이의 이종계면은 전자 및 이온 전달 경로를 제공하고 반복적인 리튬의 탈/삽입 과정으로 발생하는 기계적 응력을 분산시켜 구조적 안정성 및 장기적인 수명을 확보할 수 있다. 또한, 요크-쉘 구조 내부의 빈 공간은 충∙방전 과정 동안 발생하는 Sn 의 큰 부피 변화를 수용하고, 외부의 탄소 쉘은 구조적 통합성과 전도성 네트워크를 유지하는 역할을 제공한다. 전기화학적 평가 결과, Sn-Sn 칼코겐화물/C 전극은 이종계면과 요크-쉘 구조의 시너지 효과를 통해 기존 Sn-C 대비 향상된 가역 용량, 율속 특성（rate performance）, 사이클 안정성을 나타낸다. 특히 Sn-SnSe2/C는 3 A g-1의 전류밀도에서 100 사이클 후 272.5 mA h g-1 의 가장 높은 가역 용량을 나타내며, 20.0 A g-1의 고속 충전에서도 123.6 mA h g-1 의 용량을 유지함으로써 가장 우수한 전기화학적 성능을 확인하였다. 본 연구는 고용량, 높은 내구성, 고속 충전이 가능한 차세대 리튬이차전지 실현을 위한 다기능 이종계면구조 음극 설계 전략을 제시하며, 나아가 다양한 합금형 및 전환형 음극재에 폭넓게 적용 가능한 구조 설계 원리를 제공한다. Keyword: 요크-쉘 구조, Sn 칼코겐화물, 이종계면 제어, 분무 열분해, 리튬이차전지

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목차

1. 서론 1
2. 이론적 배경 4
2.1 리튬이차전지 4
2.2 음극재 6
2.2.1 삽입형 6
2.2.2 합금형 6
2.2.3 전환형 7
2.3 요크-쉘 구조 10
2.4 이종계면 구조 12
2.5 분무 열분해 공정 14
3. 실험방법 16
3.1 요크-쉘 구조 Sn-Sn 칼코겐화물/C 합성 16
3.1.1 전구체 용액 제조 16
3.1.2 분무 열분해 17
3.1.3 후속 열처리 17
3.1.4 칼코겐화 반응 （Chalcogenization） 18
3.2 단일 Sn 마이크로스피어 합성 19
3.3 전극 및 코인셀 제조 20
3.3.1 전극 제조 20
3.3.2 코인셀 （Coin-cell） 제조 20
3.4 분석 방법 21
3.4.1 재료의 특성 분석 21
3.4.1.1 주사 전자 현미경 분석 21
3.4.1.2 투과 전자 현미경 분석 21
3.4.1.3 X-ray diffraction（XRD） 분석 22
3.4.1.4 X-ray photoelectron spectroscopy（XPS） 분석 22
3.4.1.5 Thermogravimetric analysis （TGA） 23
3.4.1.6 Brunauer-Emmett-Teller （BET） 분석 24
3.4.1.7 Elemental analysis （EA） 24
3.4.2 전기화학적 특성 분석 28
3.4.2.1 순환 전압전류법 （CV） 28
3.4.2.2 전기화학적 임피던스 분광법 （EIS） 28
3.4.2.3 정전류 간헐적 정전법 （GITT） 29
4. 결과 및 고찰 31
4.1 Sn-SnXy/C 마이크로스피어의 형성 메커니즘 31
4.2 Sn-SnXy/C 이종구조체의 특성 34
4.2.1 형태학적 특성 34
4.2.2 결정 구조 및 물성 40
4.3 전기화학적 성능 평가 48
4.3.1 요크-쉘 구조 및 탄소 쉘의 전기화학적 기여 48
4.3.2 사이클 안정성 및 율속 특성 50
4.3.3 전기화학 임피던스 분석 54
4.3.4 순환 전압전류법（CV） 분석 58
4.3.5 CV 기반 b-value 분석 및 용량 기여도 정량화 60
4.3.6 GITT 기반 리튬 이온 확산 계수 분석 65
4.3.7 In-situ EIS 기반 계면 및 전하 전달 저항 분석 67
5. 결론 70
참고 문헌 71

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