Development of Electrode Materials with Efficient Carbon Network for Fast Rechargeable Lithium-ion Batteries

Abstract

지구온난화의 문제가 도래한 이후로, 녹색 에너지기술들과 전기차 기술들은 온실가스의 배출을 줄일 수 있는 하나의 대안으로 제시되었다. 리튬이차전지는 가벼우면서도 높은 에너지밀도를 가져 이러한 전기차에 적합한 에너지지정장치로 주목받고있다. 에너지지정장치가 전기차와 같은 높은 출력을 필요로하는 장치에 사용되기 위해서는 높은 출력특성과, 가격의 합리성, 그리고 안정성을 갖춰야 한다. 리튬이차전지는 전극에서의 전자전도와 이온전도가 느려 전체적으로 안좋은 출력특성을 보인다. 이러한 양극과 음극에서의 출력특성을 보완하기 위해서는 전극물질의 개질과 전극의 구조제어가 반드시 고려되어야 한다.

폴리도파민에서 비롯된 질소도핑된 탄소와 rGO 두가지의 탄소재료를 사용하는 이중 탄소층 코팅 전략을 LFP에 율특성을 개선하기 위해여 적용하였다. 이중의 탄소층은 one-pot에서의 중합과정과 열처리과정을 통해 만들어졌다. 두개의 탄소로 코팅된 LFP는 30 C에서 방전시 98 mAh g-1의 용량을 보였고, 수명특성은 10 C에서 700번 충/방전 후에도 115 mAh g-1의 방전용량을 보이며 초기 용량 대비 96.18%의 용량을 유지하였다. 이러한 뛰어난 율특성과 수명특성은 질소 도핑된 탄소코팅에 의한 전기전도성의 향상과 잘 연결되어있는 전자진로, 그리고 작은 입자사이로의 빠른 리튬이온의 전도등에 의한것으로 나타난다.

질소 도핑된 탄소로 코팅된 LFP 나노입자를 rGO가 감싸고있는 질소 도핑된 탄소구조체에 붙여 복합체를 만들었고, 이때 폴리도파민을 접착제면서 동시에 탄소 코팅재로 사용하여 이를 리튬이차전지 양극재로 연구하였다. 질소 도핑된 탄소구조체는 LFP입자가 붙을 수 있는 표면을 제공하고, 리튬이온이 이동할 수 있는 기공을 제공하면서, 전자가 빠르게 이동할 수 있는 탄소 네트워크를 제공한다. LFP 나노입자는 폴리도파민과 rGO간에 상호작용으로 조밀하게 붙는다. 게다가 rGO와 폴리도파민과의 상호작용은 전극의 수명의 안정성에 도움을 준다. 이렇게 만들어진 NCFG-NCL 물질은 2 C에서 500번 충/방전을 하여도 처음 방전용량 대비 92.2%를 유지하는 좋은 수명특성을 보였다. 또한 20 C에서도 108 mAh g-1의 인상적인 방전용량을 보였다.

매우 작은 Sn 나노입자를 그래핀-hollow 탄소구조체(G-HCF)에 붙였고 이를 리튬이온 배터리 음극물질로 연구하였다. 매우 작은 Sn입자는 G-HCF에 붙여 Sn입자들끼리의 aggregation을 막아주었다. Hollow한 구조는 Sn입자가 충/방전시에 부피팽창을 수용할 수 있는 여분의 공간을 제공해서 Sn이 전극에서 떨어져나가는 것을 방지하였다. 게다가 상호연결된 hollow한 탄소구조는 리튬이온과 전자가 빠르게 이동 할 수 있게하여 전극의 율특성을 향상시킨다. 이렇게 만들어진 G-HCF-Sn 복합체는 1 A g-1의 전류밀도에서 1000번 충/방전 후에도 1048 mAh g-1의 용량을 보이며 좋은 수명특성을 보였다.

As global warming problem emerged, green energy technologies and electric vehicles have been considered solution to reduce greenhouse gas emission. Lithium ion batteries have drawn a lot of attention as an energy storage device due to high energy density and lightweight characteristics. The requirements of energy storage devices for high power application are power capability, cost effectiveness, and safety. The lithium ion batteries systems suffer from sluggish rate performance due to electron transfer and ion diffusion in electrode materials. To improve the rate performance of both anode and cathode materials, material engineering and electrode architecturing should be considered.

Dual carbon layer coating strategy for LiFePO4 (LFP), which uses polydopamine-derived nitrogen-doped carbon (N-doped carbon) and reduced graphene oxide (RGO) was applied to improve the rate performance. These dual carbon layers are prepared by a one-pot polymerization process and thermal treatment. The dual carbon coated LFP has a rate capability with a discharge capacity of 98 mAh g-1 at 30 C, cycling performance with a discharge capacity of 115 mAh g-1 at 10 C, and 96.18% capacity retention after 700 cycles. The high rate performance and the excellent long-term cycling stability can be attributed to the enhanced electric conductivity with N-doped carbon coating, the well-connected electron pathway, and the fast Li+ ion diffusion induced by the small size of the particles.

The composite of N-doped carbon coated LFP (NCL) nanoparticles attached to rGO wrapped N-doped carbon framework was synthesized using polydopamine as binding agent as well as carbon coating source and studied as cathode material for lithium ion battery. The N-doped carbon framework provided a high surface area for attaching the LFP particles, pore space for Li ion migration, and network for high electrical conductivity. LFP nanoparticles were densely attached to N-doped carbon framework due to the interaction between rGO and polydopamine. Furthermore, the high interaction between rGO and polydopamine could help to achieve long cyclic stability of the electrode material. The as-prepared N-doped carbon framework@rGO@N-doped carbon coated LFP (NCFG-NCL) showed excellent cycle stability with a capacity retention of 92.2% after 500 cycle at a 2 C. A remarkable rate performance with a discharge capacity of 108 mAh g-1 even at 20 C was also achieved.

Ultrafine Sn nanoparticles were anchored on graphene-hollow carbon framework and studied as an anode material for lithium-ion battery. Graphene-hollow carbon framework (G-HCF) anchors ultrafine Sn nanoparticles on its surface to prevent them from aggregation. The hollow structure can provide a buffer space to accommodate the volume expansion of the Sn particles and prevents electrode pulverization during the charge/discharge process. Furthermore, the interconnected hollow carbon structure enables rapid lithium ion and electron transport to give the enhanced rate performance. Also, the G-HCF was doped with nitrogen and phosphorus to stabilize its electrochemical performance. Consequently, the as-prepared G-HCF-Sn composite exhibited a highly stable cycling performance, even at a current density of 1.0 A g-1 (specific capacity of 1048 mA h g-1 after 1000 cycles).