KR20170058539A - 리튬 이온 전지용 게르마늄-탄소 복합체 전극 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 리튬 이온 전지용 게르마늄-탄소 복합체 전극 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 리튬 이온 전지용 게르마늄-탄소 복합체 전극에 있어서, 게르마늄 나노입자의 표면을 둘러싸는 탄소층; 상기 전극의 표면 및 내부에서 사방으로 다량 형성되는 나노직경의 3차원 기공들을 포함하는 것을 특징으로 하고, 리튬 이온 전지용 게르마늄-탄소 복합체 전극의 제조방법에 있어서, 졸-겔법을 이용하여 이산화 게르마늄(GeO2) 나노입자를 제조하는 단계; 상기 이산화 게르마늄(GeO2) 나노입자를 액상기지에서 PVP와 혼합하는 단계; 상기 혼합물을 건조하여 PVP 고상기지에 이산화 게르마늄(GeO2) 나노입자가 분산된 상태인 GeO2/PVP를 만드는 단계; 상기 GeO2/PVP를 열탄소분해 환원시켜 3차원 다공성 나노구조를 갖는 게르마늄-탄소 복합체인 3D-Ge/C를 만드는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 리튬 이온 전지용 게르마늄-탄소 복합체 전극 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 기존에 주로 사용된 흑연보다 큰 출력밀도 및 에너지 저장용량을 제공하는 새로운 음극소재로서, 3차원 다공성 나노구조를 갖는 리튬 이온 전지용 게르마늄-탄소 복합체 및 그 제조방법에 관한 것이다.
리튬이온전지는 모바일기기, 수송, 대용량 에너지 저장 응용 분야에서 주 에너지 저장 장치로 이용되고 있다. 그러나 현재의 리튬이온 전지기술을 이용한 전기차 운행거리는 150 km 정도에 불과하여 기존 내연기관 자동차 수준의 성능을 기대하는 소비자의 수요를 만족시킬 수 없다.
이를 개선하기 위한 방법 중 하나는 전지 음극소재의 용량(capacity)을 높이는 것이다. 즉, 기존 리튬이온 이차전지의 음극소재로 사용되는 흑연은 용량이 제한적이고, 높은 에너지 밀도를 원하는 배터리의 요구조건을 충족시키지 못하는 문제가 있어, 이를 흑연에 비해 용량이 큰 실리콘이나 게르마늄과 같은 고용량 금속계 음극소재로 대체하는 것이다.
한편, 게르마늄의 용적용량은 상대적으로 실리콘의 용적용량보다 작지만, 게르마늄은 실리콘보다 다음과 같은 장점을 갖는다. 먼저, 게르마늄 안에서 리튬의 확산계수가 실리콘보다 좋으며, 게르마늄의 전기전도성은 작은 밴드갭으로 인하여 실리콘보다 4배 정도 우수하고, 리튬이 삽입/탈리되는 동안 발생하는 부피변화 또한 실리콘 보다 작다.
그러나 이러한 장점에도 불구하고 기존의 게르마늄 음극소재는 그 제조공정이 상대적으로 복잡할 뿐만 아니라, 여전히 전지의 충·방전 과정 중에 일어나는 부피변화가 심하여 그로 인해 수명이 급격히 저하되는 문제점을 가지고 있다. 또한, 흑연에 비해 출력밀도(power density: 단위 시간당, 무게당(혹은 부피당) 에너지 방출속도를 의미하며, 스포츠카와 같은 고성능 자동차의 경우 순간적인 가속을 위해서 고출력의 특성이 요구됨)가 상대적으로 열위한 단점을 가지고 있다.
이러한 문제를 해결하기 위하여 보고된 대부분의 연구는 완충층을 사용하는 방법이나 게르마늄의 입자 크기를 줄이는 방법에 초점을 맞추어 왔으며, 특히 상기 완충층을 사용하는 방법이 게르마늄의 비용량에 미치는 영향이 거의 없으면서도 기계적 성질의 개선, 활물질과 집전체의 접촉, 리튬의 확산 등으로 인해 높은 충·방전 속도에서 게르마늄의 성능을 향상시킬 수 있는 것으로 알려져 있다.
또한, 상기 완충층으로 탄소 완충층을 사용하는 것이 가벼운 무게, 상대적으로 낮은 제조비용, 사이클(cycle) 특성 및 비용량의 향상 등으로 가장 좋은 선택으로 보고되고 있다. 그러나 현재 보고된 탄소 완충층에 게르마늄을 넣는 합성과정은 너무 복잡하고 비경제적이라는 문제가 있다.
한편, 금속계 음극소재를 3차원 다공성 구조(three dimensional(3D) porous structure)로 하면 용량이 향상되는 것이 보고되고 있다. 그러나 기존의 3차원 다공성 구조를 만드는 과정이 너무 복잡하고 특히, 게르마늄계 음극소재에서의 3차원 다공성 구조를 성공적으로 제조한 연구는 현재 보고된 바가 거의 없다.
따라서 간편하고 경제적인 방법으로 게르마늄에 탄소 완충층을 형성하면서 음극소재 자체는 3차원 다공성 구조를 갖도록 하는 새로운 제조방법의 개발이 절실히 요구되었다.
본 발명은 상술한 종래기술의 문제점들을 해결하기 위해 창안된 것으로, 먼저 게르마늄 계열 음극소재의 부피팽창을 억제할 수 있고 사이클 수명과 출력특성을 크게 향상시킬 수 있는 고용량의 게르마늄-탄소 복합체 전극 및 그 제조방법의 제공을 일 목적으로 한다.
또한, 기존의 탄소 완충층에 게르마늄을 넣는 합성과정은 너무 복잡하고 비경제적이므로 이러한 문제점을 해결하기 위해 단순하고 경제적인 방법으로 게르마늄-탄소 복합체 전극을 제조할 수 있는 방법 및 이 방법에 의해 제조되는 독창적인 3차원 다공성 나노구조를 갖는 게르마늄-탄소 복합체 전극의 제공을 다른 목적으로 한다.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 실시 예들에 따른 리튬 이온 전지용 게르마늄-탄소 복합체 전극은 상술한 목적들을 달성하기 위하여, 게르마늄 나노입자의 표면을 둘러싸는 탄소층, 상기 전극의 표면 및 내부에서 사방으로 다량 형성되는 나노직경의 3차원 기공들을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예들에 따른 리튬 이온 전지용 게르마늄-탄소 복합체 전극의 제조방법은 상술한 목적들을 달성하기 위하여, 게르마늄 산화물 나노입자를 준비하는 단계, 상기 게르마늄 산화물 나노입자를 액상기지에서 PVP와 혼합하는 단계, 상기 혼합물을 건조하여 PVP 고상기지에 게르마늄 산화물 나노입자가 분산된 상태인 게르마늄 산화물/PVP를 만드는 단계, 상기 게르마늄 산화물/PVP를 열처리시켜 3차원 다공성 나노구조를 갖는 게르마늄-탄소 복합체인 3D-Ge/C를 만드는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명은 다음과 같은 우수한 효과가 있다.
먼저, 본 발명의 실시 예들에 따른 리튬이온전지용 게르마늄-탄소 복합체 전극은 기존에 주로 사용된 흑연보다 큰 리튬 저장용량, 우수한 싸이클 수명 및 출력특성을 갖고, 특히 부피팽창이 심하고 게르마늄-탄소 복합체를 합성하는 과정이 너무 복잡하여 비경제적이었던 기존 음극재를 대체할 수 있다.
아울러 상술한 바와 같이 종래기술에 비하여 그 제조과정이 매우 간단하고 경제적이며, 고용량, 긴 사이클 수명, 뛰어난 출력특성으로 인해 모바일 기기, 군용 기기, 의료용 기기 및 대용량 에너저장용 전지뿐만 아니라 최근에 각광을 받고 있는 고성능 전기자동차 등에도 활용할 수 있는 우수한 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예들에 따른 3차원 다공성 나노구조를 갖는 리튬이온전지용 게르마늄-탄소 복합체(3D-Ge/C)의 제조과정을 도시한 모식도이다.
도 2는 본 발명의 실시 예들에 따라 제조된 GeO2의 (a) X-선 회절 패턴; (b) 입자크기 분포; (c, d) SEM 이미지이다.
도 3은 (a) PVP 및 (b) 본 발명의 실시 예들에 따라 제조된 GeO2/PVP의 열중량분석(TGA) 결과이다.
도 4는 본 발명의 실시 예들에 따라 제조된 3D-Ge/C의 (a) X-선 회절 패턴; (b) SEM 이미지; (c, d) TEM 이미지 및 SAED 패턴(d의 삽입사진); (e) HR-TEM 이미지 및 EDS 선-스캔 프로파일; (f 내지 i) STEM 이미지(f의 삽입사진)에 대응하는 Ge, C, N, O 원소 각각의 TEM-EDS 맵핑이다.
도 5는 본 발명의 실시 예들에 따라 제조된 3D-Ge/C의 라만 스펙트럼이다.
도 6은 본 발명의 실시 예들에 따라 제조된 3D-Ge/C 전극의 C/10(0.16 A/g)의 충·방전 속도에서의 (a) 충·방전 곡선; (b) 사이클-비용량 곡선; (c) 사이클-쿨롱효율 곡선이고, (d)는 0.02 mV/s 스캔속도에서의 최초 3 사이클에 대한 전압-전류 곡선이다.
도 7은 본 발명의 실시 예들에 따라 제조된 3D-Ge/C 전극의 부하질량에 따른 사이클-비용량 곡선이다.
도 8은 본 발명의 실시 예들에 따라 제조된 3D-Ge/C 전극의 (a) 1C 내지 100C의 충전 속도에서의 사이클-비용량 곡선; (b) 1C 내지 100C의 충·방전 속도에서의 사이클-비용량 곡선이다.
도 9는 본 발명의 일실시 예에 따라 제조된 3D-Ge/C 전극의 (a) 1C 내지 100C의 충전 속도에서의 사이클-쿨롱효율 곡선; (b) 100C(160 A/g)의 충전 속도에서의 출력특성 곡선이다.
도 10은 본 발명의 일실시 예에 따라 제조된 3D-Ge/C 전극의 리튬화 정도에 따른 임피던스 곡선으로 리튬화 정도가 각각 (a) 20%, (b) 40%, (c) 60%, (d) 80%이다.
도 11은 본 발명의 실시 예들에 따라 제조된 3D-Ge/C 전극의 150C 내지 500C의 초고속 충전 속도에서의 (a) 사이클-비용량 곡선; (b) 출력특성 곡선이고, (c)는 기존 보고된 게르마늄계 음극들과의 출력용량 비교 곡선이며, (d)는 1000회까지의 사이클-비용량 곡선이다.
도 12는 본 발명의 실시 예들에 따라 제조된 3D-Ge/C 전극의 1000회 충·방전 사이클 후의 (a, b) TEM 이미지; (c, d) 이에 대응하는 Ge, C 원소 각각의 TEM-EDS 맵핑이다.
도 13은 본 발명의 실시 예들에 따라 제조된 3D-Ge/C 음전극과 LiCoO2 양전극을 사용한 동전타입 리튬이온전지에 대한 (a) 사이클-비용량 곡선; (b) 충·방전 속도에 따른 사이클-비용량 곡선이고, (c)는 상기 전지를 LED 조명에 시연한 사진이다.
도 14는 본 발명의 실시 예들에 따라 제조된 3D-Ge/C 음전극과 LiCoO2 양전극을 사용한 리튬이온전지를 50개의 LED 조명에 시연한 후 (a) 1분, (b) 10분, (c) 20분, (d) 30분 후의 사진이다.
도 2는 본 발명의 실시 예들에 따라 제조된 GeO2의 (a) X-선 회절 패턴; (b) 입자크기 분포; (c, d) SEM 이미지이다.
도 3은 (a) PVP 및 (b) 본 발명의 실시 예들에 따라 제조된 GeO2/PVP의 열중량분석(TGA) 결과이다.
도 4는 본 발명의 실시 예들에 따라 제조된 3D-Ge/C의 (a) X-선 회절 패턴; (b) SEM 이미지; (c, d) TEM 이미지 및 SAED 패턴(d의 삽입사진); (e) HR-TEM 이미지 및 EDS 선-스캔 프로파일; (f 내지 i) STEM 이미지(f의 삽입사진)에 대응하는 Ge, C, N, O 원소 각각의 TEM-EDS 맵핑이다.
도 5는 본 발명의 실시 예들에 따라 제조된 3D-Ge/C의 라만 스펙트럼이다.
도 6은 본 발명의 실시 예들에 따라 제조된 3D-Ge/C 전극의 C/10(0.16 A/g)의 충·방전 속도에서의 (a) 충·방전 곡선; (b) 사이클-비용량 곡선; (c) 사이클-쿨롱효율 곡선이고, (d)는 0.02 mV/s 스캔속도에서의 최초 3 사이클에 대한 전압-전류 곡선이다.
도 7은 본 발명의 실시 예들에 따라 제조된 3D-Ge/C 전극의 부하질량에 따른 사이클-비용량 곡선이다.
도 8은 본 발명의 실시 예들에 따라 제조된 3D-Ge/C 전극의 (a) 1C 내지 100C의 충전 속도에서의 사이클-비용량 곡선; (b) 1C 내지 100C의 충·방전 속도에서의 사이클-비용량 곡선이다.
도 9는 본 발명의 일실시 예에 따라 제조된 3D-Ge/C 전극의 (a) 1C 내지 100C의 충전 속도에서의 사이클-쿨롱효율 곡선; (b) 100C(160 A/g)의 충전 속도에서의 출력특성 곡선이다.
도 10은 본 발명의 일실시 예에 따라 제조된 3D-Ge/C 전극의 리튬화 정도에 따른 임피던스 곡선으로 리튬화 정도가 각각 (a) 20%, (b) 40%, (c) 60%, (d) 80%이다.
도 11은 본 발명의 실시 예들에 따라 제조된 3D-Ge/C 전극의 150C 내지 500C의 초고속 충전 속도에서의 (a) 사이클-비용량 곡선; (b) 출력특성 곡선이고, (c)는 기존 보고된 게르마늄계 음극들과의 출력용량 비교 곡선이며, (d)는 1000회까지의 사이클-비용량 곡선이다.
도 12는 본 발명의 실시 예들에 따라 제조된 3D-Ge/C 전극의 1000회 충·방전 사이클 후의 (a, b) TEM 이미지; (c, d) 이에 대응하는 Ge, C 원소 각각의 TEM-EDS 맵핑이다.
도 13은 본 발명의 실시 예들에 따라 제조된 3D-Ge/C 음전극과 LiCoO2 양전극을 사용한 동전타입 리튬이온전지에 대한 (a) 사이클-비용량 곡선; (b) 충·방전 속도에 따른 사이클-비용량 곡선이고, (c)는 상기 전지를 LED 조명에 시연한 사진이다.
도 14는 본 발명의 실시 예들에 따라 제조된 3D-Ge/C 음전극과 LiCoO2 양전극을 사용한 리튬이온전지를 50개의 LED 조명에 시연한 후 (a) 1분, (b) 10분, (c) 20분, (d) 30분 후의 사진이다.
이하에서 본 발명을 더욱 상세하게 설명하기로 한다.
본 발명에서 사용되는 용어는 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어를 선택하였으나, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있는데 이 경우에는 단순한 용어의 명칭이 아닌 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용에 기재되거나 사용된 의미를 고려하여 그 의미가 파악되어야 할 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전극은 게르마늄 나노입자의 표면을 둘러싸는 탄소층 및 상기 전극의 표면 및 내부에서 사방으로 다량 형성되는 나노직경의 3차원 기공들을 포함한다.
상기 탄소층은 다른 탄소층들과 뭉쳐져서 덩어리를 형성하고, 상기 덩어리 사이에 상기 3차원 기공들이 형성될 수 있다.
상기 탄소층의 두께는 1 내지 50 nm 일 수 있다. 예를 들어 상기 탄소층의 두께는 20 nm 이하 일 수 있다. 탄소층의 두께가 1nm 미만이면 게르마늄 입자 전체를 다 도포하지 못하게 되며, 탄소층의 두께가 50nm 초과하면 게르마늄 분율이 줄어들어 비용량(specific capacity)이 감소할 수 있다.
상기 게르마늄 나노입자 직경은 1μm이하 일 수 있다. 예를 들어 상기 게르마늄 나노입자 직경은 100nm 이하 일 수 있다. 예를 들어 상기 게르마늄 나노입자 직경은 50nm 이하 일 수 있다. 예를 들어 상기 게르마늄 나노입자 직경은 30nm 이하 일 수 있다. 게르마늄 나노입자 크기가 1μm를 초과하면 비용량 및 출력 밀도가 감소하고 특히 전극의 싸이클 수명이 단축될 수 있다. 전극 활물질 (Ge)의 크기를 줄일수록 용량이나 싸이클 수명 측면에서 유리하다. Ge 입자가 작아지게 되면 큰 입자에 비해 리튬을 저장하였을 때 개별입자에 의한 부피팽창을 최소화할 수 있고 그로 인해 특히 싸이클 수명이 향상되는 효과가 있다. 또한 Ge 입자 표면을 따라 Li 이온의 이동이 용이하게 되어 출력 특성 등이 개선된다.
상기 3차원 기공들의 직경은 20 내지 100 nm일 수 있다. 전극의 기공은 전해질이 직접 내부로 스며들 수 있는 공간을 제공하여 출력 특성을 향상시키고, 전극의 기공은 리튬의 저장으로 부피팽창이 일어날 때 스트레스를 완충시켜 전극의 싸이클 수명을 연장시킬 수 있다. 3차원 기공들의 직경이 상기 범위 내에서 조절되면 전극의 출력과 싸이클 수명을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 이온 전지용 게르마늄-탄소 복합체 전극의 제조방법은 상술한 목적들을 달성하기 위하여, 게르마늄 산화물 나노입자를 준비하는 단계, 상기 게르마늄 산화물 나노입자를 액상기지에서 PVP와 혼합하는 단계, 상기 혼합물을 건조하여 PVP 고상기지에 게르마늄 산화물 나노입자가 분산된 상태인 게르마늄 산화물/PVP를 만드는 단계, 상기 게르마늄 산화물/PVP를 열처리시켜 3차원 다공성 나노구조를 갖는 게르마늄-탄소 복합체인 3D-Ge/C를 만드는 단계를 포함할 수 있다.
상기 게르마늄 산화물 나노입자를 준비하는 단계는 졸-겔법을 이용할 수 있다. 졸-겔법을 이용하면 입자 크기가 작고 균일한 게르마늄 산화물 나노입자를 제조할 수 있다.
상기 게르마늄 산화물은 이산화 게르마늄(GeO2)일 수 있다. GeO2는 환원반응에 의해서 Ge로 쉽게 분해될 수 있으며 GeO2 자체가 리튬이 재료 내부로 저장될 때 Ge로 분해됨으로써 리튬 저장에 기여할 수 있다
졸-겔 공정시 용매로 에탄올과 물을 사용하게 되는데, PVP는 이들 용매에 잘 녹아 합성된 게르마늄산화물의 균질 혼합물을 형성할 수 있고 게르마늄산화물 위에 균일한 코팅층을 형성할 수 있다. PVP의 분해 후 생성된 탄소에는 소량의 질소가 포함되어 있으며 이 질소가 도핑된 탄소는 전기적 특성이 우수하여 Ge/C 전극의 전기화학적 특성을 개선시킬 수 있다.
상기 PVP의 분자량은 2,500 내지 2,500,000 g/mol 일 수 있다. 예를 들어 상기 PVP의 분자량은 1,000,000 g/mol 이하 일 수 있다. 예를 들어 상기 PVP의 분자량은 500,000 g/mol 이하 일 수 있다. 예를 들어 상기 PVP의 분자량은 100,000 이하 일 수 있다. PVP의 분자량에 따라 균질한 게르마늄 산화물/PVP 혼합물과 게르마늄 산화물 위에 균일한 코팅층이 형성될 수 있고, Ge/C 전극의 전기화학적 특성이 변하기 때문에 PVP의 분자량은 상기 제시한 범위 내에서 적절하게 조절하는 것이 좋다.
상기 열처리는 열탄소분해 환원일 수 있다.
상기 PVP 고상기지에 이산화 게르마늄(GeO2) 나노입자가 분산된 상태는 게르마늄 산화물이 PVP로 둘러싸인 구조일 수 있다.
바람직하게는 졸-겔법을 이용하여 이산화 게르마늄(GeO2) 나노입자를 제조하는 단계, 상기 이산화 게르마늄(GeO2) 나노입자를 액상기지에서 PVP와 혼합하는 단계, 상기 혼합물을 건조하여 PVP 고상기지에 이산화 게르마늄(GeO2) 나노입자가 분산된 상태인 GeO2/PVP를 만드는 단계, 상기 GeO2/PVP를 열탄소분해 환원시켜 3차원 다공성 나노구조를 갖는 게르마늄-탄소 복합체인 3D-Ge/C를 만드는 단계를 포함할 수 있다.
상기 졸-겔법은 게르마늄 에톡시드(germanium ethoxide)로부터 가수분해 반응을 수반할 수 있다.
상기 이산화 게르마늄(GeO2) 나노입자의 직경이 5nm 내지 1μm 일 수 있다. 예를 들어 상기 이산화 게르마늄(GeO2)의 직경은 50nm 이하 일 수 있다. 예를 들어 상기 이산화 게르마늄(GeO2)의 직경은 20nm 이하 일 수 있다. GeO2 크기가 작을수록 전극 활물질인 Ge 크기를 줄일 수 있고 GeO2 크기가 작을수록 열분해탄소 환원반응 온도를 낮출 수 있다.
상기 열탄소분해 환원은 하기 반응식 1의 PVP의 탄화과정 중에 하기 반응식 2의 이산화 게르마늄(GeO2) 나노입자의 열탄소분해 환원과정이 발생할 수 있다.
[반응식 1] PVP → CO2(g) + H2O(g) + N2O(g) +C
[반응식 2] GeO2 + C → Ge + CO2(g) + CO(g)
상기 열탄소분해 환원에 의해 게르마늄 나노입자, 그 표면을 둘러싸는 탄소층, 상기 전극의 표면 및 내부에서 사방으로 다량 형성되는 나노직경의 기공들을 포함하는 3차원 다공성 나노구조의 게르마늄-탄소 복합체가 형성될 수 있다.
열처리 중 PVP는 CO2, H2O, N2O 등의 기체와 잔여탄소 (C)로 분해되고 그 중 잔여 탄소가 GeO2와 반응하여 GeO2를 Ge로 환원시킴과 동시에 Ge 입자가 최종적으로 남아 있는 잔여탄소에 둘러싸여 있는 Ge/C 구조를 만들 수 있다. PVP가 분해되면서 나오는 CO2, H2O, N2O 등의 기체가 빠져나오면서 자발적으로 3차원 다공성 구조가 형성될 수 있다.
상기 게르마늄 나노입자 직경은 1μm이하이고, 상기 기공들의 직경은 20 내지 100 nm 일 수 있다.
상기 열탄소분해 환원은 700 내지 950℃의 온도에서 열처리할 수 있다. 예를 들어 상기 열탄소분해 환원은 700 내지 800℃의 온도에서 열처리할 수 있다. 열탄소분해 환원온도는 GeO2가 Ge으로 환원되는 온도이므로, 경제적 관점에서 해당 온도는 낮을수록 유리하다. 본 발명에서는 GeO2의 입자 크기를 나노이즈로 줄임으로써 열탄소분해 환원반응 온도를 800℃ 이하의 온도로 낮출 수 있다.
이하, 첨부한 도면에 도시된 바람직한 실시 예들을 참조하여 본 발명의 기술적 구성을 상세하게 설명한다.
실시예
이와 관련하여 먼저, 도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 3차원 다공성 나노구조를 갖는 게르마늄-탄소 복합체(이하, '3D-Ge/C’라 함)의 제조과정을 도시한 모식도이다.
상기 도 1을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 리튬이온전지 음극재용 3D-Ge/C의 제조방법은 졸-겔법을 이용하여 이산화 게르마늄(GeO2) 나노입자를 제조하는 단계(S100)를 포함한다.
이때, 상기 졸-겔법은 통상의 나노입자 제조수단으로서 본 발명의 일실시 예에 있어서는 게르마늄 에톡시드(germanium ethoxide)로부터 가수분해(hydrolysis) 반응을 수반하여 GeO2 나노입자를 제조한다. 본 발명의 일실시 예에서는 게르마늄 에톡시드(germanium ethoxide; Ge(OC2H5)4) 10 mL가 균질용해된 에탄올(ethanol; C2H5OH) 125 mL에 1시간 동안 교반(stirring)하면서 4M H2O 45 mL를 조금씩 떨어뜨려 Ge(OC2H5)4와 H2O의 몰비(molar ratio)가 1:4가 되는 0.25M Ge(OC2H5)4 용액을 제조한 후, Ge(OC2H5)4와 H2O의 가수분해 반응을 위해 3일 동안 상온에서 에이징(aging)하여 나노 입자크기의 0.25M 이산화 게르마늄(GeO2) 겔(gel)를 제조한다.
한편, DLS(Dynamic Light Scattering) 방법으로 계산된 GeO2 입자크기 분포를 보여주는 도 2(b)를 참조하면 본 발명의 일실시 예에 따라 상기 제조된 GeO2 나노입자의 직경은 9.7 ±1.4 nm의 범위를 갖고, Scherrer 식을 이용하여 도 2(a)의 X-선 회절 패턴으로부터 계산된 상기 제조된 GeO2 나노입자의 직경은 약 11 nm이다.
아울러, 도 2(c)와 (d)의 SEM 이미지를 참조하면 본 발명의 일실시 예에 따라 상기 제조된 GeO2 나노입자들은 100 nm 이상의 크기를 갖는 덩어리로 뭉쳐져 있다.
또한, 본 발명의 일실시 예에 따른 리튬이온전지 음극재용 3D-Ge/C의 제조방법은 상기 GeO2 나노입자를 액상기지에서 PVP와 혼합하는 단계(S200)를 포함한다.
이때, 상기 PVP는 poly-vinyl-pyrrolidone이고 (C6H9NO)n의 화학식을 갖는 것이고(분자량 40,000 g/mol), 상기 혼합은 액상기지(liquid matrix)에서 GeO2 나노입자와 PVP를 균질하게 혼합하는 것으로, 본 발명의 일실시 예에서는 액상기지로 에탄올(ethanol)을 사용하고 에탄올 내에서 10 wt% PVP 6 mL와 상기 0.25M GeO2 겔(gel) 10 mL를 균질혼합한다.
한편, 본 발명의 일실시 예에 따른 리튬이온전지 음극재용 3D-Ge/C의 제조방법은 상기 혼합물을 건조하여 PVP 고상기지에 GeO2 나노입자가 분산된 상태를 만드는 단계(S300)를 포함한다.
이때, 상기 분산은 액상기지가 모두 기화되고 PVP 고상기지(solid matrix)에 GeO2 나노입자가 균질분산된 상태(이하, ‘GeO2/PVP’라 함)로서, 본 발명의 일실시 예에서는 에탄올을 모두 기화시키기 위해 상기 혼합물을 80℃에서 20시간 건조하여 GeO2/PVP를 제조한다.
또한, 본 발명의 일실시 예에 따른 리튬이온전지 음극재용 3D-Ge/C의 제조방법은 상기 GeO2/PVP를 열탄소분해 환원시켜 3D-Ge/C를 만드는 단계(S400)를 포함한다.
이때, 상기 열탄소분해 환원(carbothermal reduction)은 하기 반응식 1의 PVP의 탄화(carbonization) 과정 중에 하기 반응식 2의 GeO2 나노입자의 열탄소분해 환원 과정이 일어나는 것으로서, 상기 반응에 의해 게르마늄(Ge)과 잔류탄소(C)만 남게 되고 더불어, GeO2/PVP 벌크(bulk) 내에서 CO2, H2O, N2O, CO의 가스가 외부로 방출하면서 다량의 기공(pores)이 형성되어 최종적으로 3D-Ge/C(3차원 다공성 나노구조를 갖는 게르마늄-탄소 복합체)가 형성된다.
[반응식 1] PVP → CO2(g) + H2O(g) + N2O(g) +C
[반응식 2] GeO2 + C → Ge + CO2(g) + CO(g)
또한, GeO2/PVP의 열중량분석(TGA: thermo-gravimetric analysis) 결과인 도 3을 참조하면, GeO2/PVP의 500℃ 아래부근에서의 중량변화는 PVP의 열탄소분해로 인한 것이고 약 700℃부터 약 840℃ 구간에서의 중량변화는 GeO2 나노입자의 환원으로 인한 것이므로 상기 S400 단계는 약 700℃ 이상에서 열처리될 수 있으며, 바람직하게는 GeO2/PVP의 양, 열처리장치 등을 고려하여 모든 GeO2 나노입자들을 완전히 환원시킬 수 있는 열처리조건을 최적화하는 것이 바람직하다. 본 발명의 일실시 예에서는 상기 GeO2/PVP를 10 ℃/min의 속도로 승온시킨 후 775℃의 아르곤(Ar) 분위기에서 1시간 동안 열탄소분해 환원 처리하고 3D-Ge/C 내 탄소량은 약 15 wt%이다.
한편, 상술한 본 발명의 실시 예에 따라 제조된 3D-Ge/C의 X-선 회절 패턴인 도 4(a)와 라만(Raman) 스펙트럼인 도 5를 참조하면 3D-Ge/C는 게르마늄(Ge)과 잔류탄소(C)로만 이루어 있다는 것을 확인할 수 있다.
또한, 상술한 본 발명의 실시 예에 따라 제조된 3D-Ge/C의 SEM 이미지인 도 4(b)를 참조하면, 3D-Ge/C는 약 30 nm 직경의 Ge/C 나노입자들이 뭉쳐져서 약 100 nm 크기의 Ge/C 덩어리를 형성하고 이들 Ge/C 덩어리들 사이로 20 내지 100 nm 직경의 기공들(pores)이 3D-Ge/C 블록을 관통하여 사방으로 다량 형성되어 있는 3차원 다공성 나노구조라는 것을 확인할 수 있다.
게르마늄 나노입자의 표면을 둘러싸는 탄소층을 포함한 Ge/C의 직경이 약 30 nm이고 Ge 나노입자의 크기가 약 20 nm이므로 탄소층의 두께는 약 5 nm가 된다.
특히, 상술한 본 발명의 실시 예에 따라 제조된 3D-Ge/C의 TEM 이미지인 도 4(c) 내지 (e)를 참조하면, Ge/C 나노입자는 Ge(TEM 이미지의 검정색 부분) 입자가 C(밝은 회색 부분)에 코팅되어 둘러싸여 있는 구조이고, 3D-Ge/C 샘플 전체적으로 Ge/C 나노입자들이 고르게 분포되어 있는 것을 확인 할 수 있다.
한편, 상술한 본 발명의 실시 예에 따라 제조된 3D-Ge/C 전극의 C/10(0.16 A/g)의 충·방전 속도에서의 사이클 수명특성을 보여주는 그래프인 도 5(a) 내지 (c)를 참조하면, C/10의 속도로 100 사이클 충·방전(일정한 시험조건 하에서 충·방전을 반복하는 것)하여도 전극의 비용량(specific capacity)은 거의 일정하게 유지되는 것을 확인할 수 있다.
또한, 상술한 본 발명의 실시 예에 따라 제조된 3D-Ge/C 전극의 다양한 충전 속도(1C 내지 100C)에서의 사이클 수명특성을 보여주는 그래프인 도 8(a)를 참조하면, 100C의 높은 충전속도에서 200회 충전과 방전을 반복해도 높은 비용량을 유지하는 것을 확인할 수 있다. 이는 3D-Ge/C 전극이 화학적으로나 기계적으로 매우 안정하다는 것을 의미한다.
특히, 상술한 본 발명의 실시 예에 따라 제조된 3D-Ge/C 전극의 100C(160 A/g)의 충전 속도에서의 출력특성을 보여주는 그래프인 도 9(b)를 참조하면, 100C의 충전 속도로 26초 만에 1122 mA·의 전하용량을 충전하는 것을 확인할 수 있고, 400C(640 A/g)의 초고속 충전 속도에서의 출력특성을 보여주는 그래프인 도 11(b)를 참조하면, 400C의 충전 속도로 429 mA·의 전하용량을 충전하는데 불과 3초가 걸리는 것을 확인할 수 있다.
상술한 본 발명의 실시 예에 따라 제조된 3D-Ge/C 전극의 상기 출력특성은 슈퍼커패시터의 출력특성에 견줄만한 수준으로 게르마늄(Ge)계 전극의 충전 및 방전 속도가 획기적으로 개선된 것으로, 이는 3D-Ge/C 의 3차원 나노 다공구조로 인해 고체상태에서의 리튬확산거리가 단축되고, 리튬이온의 접근성이 개선되며, 반응표면적이 증가되었기 때문이다.
더불어, 상술한 본 발명의 실시 예에 따라 제조된 3D-Ge/C 전극의 다양한 충·방전 속도(C/10 내지 2C)에서의 사이클 수명특성을 보여주는 그래프인 도 11(d)를 참조하면, 2C의 속도로 1000 사이클 충·방전 후에도 전극의 비용량(specific capacity)이 초기 비용량의 89%에 해당하는 1216 mA·를 유지하는 것을 확인할 수 있다. 이러한 3D-Ge/C 전극의 우수한 사이클 수명특성은 나노 Ge입자의 표면을 둘러싸고 있는 탄소 완충층(buffer layer)과 그 주위에 분포한 미세 기공들이 전극 내로 리튬이 확산될 때 발생하는 부피팽창을 완화하기 때문이다.
한편, 상술한 본 발명의 실시 예에 따라 제조된 3D-Ge/C 음전극과 LiCoO2 양전극을 사용하여 제조된 리튬이온전지를 이용하여 LED 조명에 시연한 것을 보여주는 사진인 도 13(c) 및 도 14를 참조하면, LED 조명이 30분 이상에서도 안정정적인 밝기를 유지하는 것을 확인하였고 이로부터 3D-Ge/C 음전극의 실용성을 검증하였다.
결과적으로 본 발명의 실시 예들에 따른 3D-Ge/C(3차원 다공성 나노구조를 갖는 리튬이온전지용 게르마늄-탄소 복합체) 및 그 제조방법은 상술한 기술적 구성들을 통해 기존에 주로 사용된 흑연보다 리튬저장용량이 4배 이상 높고, 고속으로 1000회 충·방전하여도 초기 용량의 89%를 유지하여 성능 저하가 거의 없으며, 최고속도로 3초 만에 완전 방전시켜도 흑연의 최고 용량보다 120% 높은 방전용량을 보여 줌으로써 충·방전 시에 급격한 부피팽창으로 인해 반복사용 시 성능이 저하되는 기존 게르마늄(Ge)계 음극재의 단점을 극복하였다.
특히, 상술한 바와 같이 종래기술에 비해 저가의 원료 및 간단한 제조공정을 이용하여 독창적인 3차원 다공성 구조의 게르마늄-탄소 복합체를 제조할 수 있고, 제조된 소재가 높은 용량과 긴 사이클 수명을 가짐과 동시에 슈퍼커패시터에 필적하는 고율방전 특성을 가짐으로서 모바일 기기, 군용기기, 의료용 기기 및 대용량 에너지저장용 전지뿐만 아니라 최근 각광 받고 있는 고성능 전기자동차 등에도 활용이 가능한 우수한 효과가 있다. 슈퍼커패시터는 주로 표면반응만을 이용하기 때문에 전지에 비해 에너지 저장용량은 작으나 출력특성(고율방전 특성)에서는 전지에 비해 훨씬 우수한 특성을 보이는 것이 일반적이다. 그러나 본 발명에서 제조된 게르마늄-탄소 복합체 전극소재는 슈퍼커패시터 소재에 필적하는 우수한 출력특성을 보인다는 특징을 갖는다.
이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명은 바람직한 실시 예를 들어 도시하고 설명하였으나, 상기한 실시 예에 한정되지 아니하며 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능하다 할 것이다.
Claims (15)
- 리튬 이온 전지용 게르마늄-탄소 복합체 전극에 있어서,
게르마늄 나노입자의 표면을 둘러싸는 탄소층; 및
상기 전극의 표면 및 내부에서 사방으로 다량 형성되는 나노직경의 3차원 기공들;
을 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬 이온 전지용 게르마늄-탄소 복합체 전극.
- 제 1 항에 있어서,
상기 탄소층은 다른 탄소층들과 뭉쳐져서 덩어리를 형성하고, 상기 덩어리 사이에 상기 3차원 기공들이 형성되는 것을 특징으로 하는 리튬 이온 전지용 게르마늄-탄소 복합체 전극.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 게르마늄 나노입자의 직경은 약 1μm 이하이고, 상기 3차원 기공들의 직경은 20 내지 100 nm인 것을 특징으로 하는 리튬 이온 전지용 게르마늄-탄소 복합체 전극.
- 리튬 이온 전지용 게르마늄-탄소 복합체 전극의 제조방법에 있어서,
게르마늄 산화물 나노입자를 준비하는 단계;
상기 게르마늄 산화물 나노입자를 액상기지에서 PVP와 혼합하는 단계;
상기 혼합물을 건조하여 PVP 고상기지에 상기 게르마늄 산화물 나노입자가 분산된 상태인 게르마늄 산화물/PVP를 만드는 단계;
상기 게르마늄 산화물/PVP를 열처리시켜 3차원 다공성 나노구조를 갖는 게르마늄-탄소 복합체인 3D-Ge/C를 만드는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬 이온 전지용 게르마늄-탄소 복합체 전극의 제조방법.
- 제 4 항에 있어서,
상기 게르마늄 산화물 나노입자를 준비하는 단계는 졸-겔법을 이용하여 게르마늄 산화물 나노입자를 제조하는 것을 특징으로 하는 리튬 이온 전지용 게르마늄-탄소 복합체 전극의 제조방법.
- 제 4 항에 있어서,
상기 게르마늄 산화물은 이산화게르마늄(GeO2)인 것을 특징으로 하는 리튬 이온 전지용 게르마늄-탄소 복합체 전극의 제조방법.
- 제 4 항에 있어서,
상기 PVP는 분자량이 2,500 내지 2,500,000 g/mol 인 것을 특징으로 하는 리튬 이온 전지용 게르마늄-탄소 복합체 전극의 제조방법.
- 제 4 항에 있어서,
상기 열처리는 열탄소분해 환원인 것을 특징으로 하는 리튬 이온 전지용 게르마늄-탄소 복합체 전극의 제조방법.
- 제 5 항에 있어서,
상기 졸-겔법은 게르마늄 에톡시드(germanium ethoxide)로부터 가수분해 반응을 수반하는 것을 특징으로 하는 리튬 이온 전지용 게르마늄-탄소 복합체 전극의 제조방법.
- 제 4 항에 있어서,
상기 게르마늄 산화물 나노입자의 직경이 5nm 내지 1μm인 것을 특징으로 하는 리튬 이온 전지용 게르마늄-탄소 복합체 전극의 제조방법.
- 제 8 항에 있어서,
상기 열탄소분해 환원은 하기 반응식 1의 PVP의 탄화과정 중에 하기 반응식 2의 이산화 게르마늄(GeO2) 나노입자의 열탄소분해 환원과정이 발생하는 것을 특징으로 하는 리튬 이온 전지용 게르마늄-탄소 복합체 전극의 제조방법.
[반응식 1] PVP → CO2(g) + H2O(g) + N2O(g) +C
[반응식 2] GeO2 + C → Ge + CO2(g) + CO(g)
- 제 4 항에 있어서,
상기 열처리에 의해 게르마늄 나노입자, 그 표면을 둘러싸는 탄소층, 상기 전극의 표면 및 내부에서 사방으로 다량 형성되는 나노직경의 기공들을 포함하는 3차원 다공성 나노구조의 게르마늄-탄소 복합체가 형성되는 것을 특징으로 하는 리튬 이온 전지용 게르마늄-탄소 복합체 전극의 제조방법.
- 제 12 항에 있어서,
상기 게르마늄 나노입자의 직경은 약 1μm이하이고, 상기 기공들의 직경은 20 내지 100 nm인 것을 특징으로 하는 리튬 이온 전지용 게르마늄-탄소 복합체 전극의 제조방법.
- 제 8 항에 있어서,
상기 열탄소분해 환원은 700 내지 950℃의 온도에서 열처리하는 것을 특징으로 하는 리튬 이온 전지용 게르마늄-탄소 복합체 전극의 제조방법.
- 제 4 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항의 방법으로 제조되는 것을 특징으로 하는 리튬 이온 전지용 게르마늄-탄소 복합체 전극.
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|---|---|---|---|---|
| CN108281627A (zh) * | 2018-01-03 | 2018-07-13 | 中国科学院上海硅酸盐研究所 | 一种锂离子电池用锗碳复合负极材料及其制备方法 |
| US20220166014A1 (en) * | 2020-11-24 | 2022-05-26 | Hyundai Motor Company | Surface treatment solution, method for preparing surface treatment solution, method for preparing active material using surface treatment solution, and active material prepared thereby |
| CN116092723A (zh) * | 2023-01-10 | 2023-05-09 | 厦门凯纳石墨烯技术股份有限公司 | 一种高分散高导电石墨烯复合导电浆料、制备方法及应用 |
-
2015
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