Analysis of binders and electrolyte additives effects on α-Fe2O3 anode materials in Li-ion batteries

Abstract

현재 상용화 되어있는 리튬 이차 전지의 음극재인 흑연은 재료가 갖는 낮은 이론 용량 (372 mAh g-1) 때문에 고용량, 고출력 배터리 적용에 걸림돌이 되고 있다. 이를 대체하기 위한 여러 후보군 중 Fe2O3는 현재 상용화된 흑연에 비해 2.5배 이상의 높은 이론 용량 (1007 mAh g-1)을 가질 뿐 아니라 친환경적이고 낮은 가격 때문에 차세대 음극재로 많은 주목을 받는 재료이다. 그러나 Fe2O3 는 비가역 용량이 높다는 단점이 있으며, 충·방전 과정 중 발생하는 부피 팽창의 문제는 배터리 용량과 수명 감소의 원인이 된다. 이러한 문제를 극복하는 방법 중 하나로 안정된 solid electrolyte interphase(SEI) layer의 형성을 통해 활물질의 구조 안정성을 높이려는 연구가 시도되고 있다. 충·방전 과정 중 필연적으로 생성되는 SEI layer는 바인더와 전해액에 따른 차이를 보인다. 현재까지 보고된 Fe2O3 음극재 관련 선행 연구에서 다양한 바인더와 전해액이 사용되었지만 고출력, 고용량의 Fe2O3 음극재에 최적화된 바인더와 전해액에 대한 연구는 아직 보고된 바가 없다. 본 연구에서는 Fe2O3를 음극 활물질로 사용하여 poly(acrylic acid) (PAA), poly(vinylidene fluoride) (PVDF), carboxymethyl cellulose (CMC), PAA+CMC (1:1 wt%) 4가지 바인더와 vinylene carbonate (VC), fluoroethylene carbonate (FEC) 2가지 전해액 첨가제가 충·방전 특성 및 표면 피막(SEI layer)에 미치는 영향을 비교 분석하였고, 최종적으로 Fe2O3 활물질에 최적화된 전기화학 시스템에 대하여 제안하고자 한다. 바인더 비교 분석 결과, PAA 바인더 사용시 다른 바인더에 비해 수명 특성이 향상되는 것을 확인하였다. PAA 바인더에 있는 카르복실기가 바인더-바인더, 간의 수소 결합을 형성한 것을 확인하였으며 이는 충∙방전 과정에서 활물질의 부피 팽창으로 인한 스트레스를 최소화 시키는 역할을 하였다. VC 첨가제는 활물질 표면에 보다 얇은 두께의 SEI layer 를 생성시킴으로써 충∙방전 반응 시 전기화학 impedance를 크게 줄여주는 것을 확인하였다. 이 같은 효과를 통해 VC가 첨가된 샘플은 비가역 용량 19%까지 감소하였고 100-150 mAh g-1 의 용량 상승을 보여주었다.