모선일 박경일 2010-02 10480 https://aurora.ajou.ac.kr/handle/2018.oak/8497 학위논문(석사)--아주대학교 일반대학원 :에너지시스템학부,2010. 2 다양한 휴대용기기에 널리 응용되고 있는 리튬 이차전지는 높은 출력과 긴수명, 초소형화, 안전성 확보, 환경친화성 요소 등이 요구가 된다. 리튬 이차전지의 양극물질로서 vanadium pentoxide (V2O5)는 295 mAhg-1의 매우 높은 이론용량 (LixV2O5; 0≤x≤2)을 가지며 리튬 이온의 삽입/방출시 (intercalation/ deintercalation) 가역적인 구조변화를 나타내므로 충∙방전에 대해 안정성을 보여준다. 또한 나노형태의 V2O5는 비표면적이 상당히 크며, 리튬이온의 이동거리를 최소화시켜서 우수한 전극 특성을 나타낼 수 있다. V2O5 나노물질을 제조하기 위한 전기화학적 증착법은 sol-gel법이나 수열합성법 등과 비교하여 간단하면서도, 적용되는 전압이나 전류, 용액의 온도와 농도 등을 조절함으로써 V2O5의 형태 및 표면을 제어할 수 있다. 나노구조의 V2O5와 전도성 고분자 polyaniline (PANi)와의 복합체 필름을 형성하여 전극물질로 활용하면, 전기적인 전도도 및 기계적인 유연성을 증가시키고, 리튬이온의 이동이 용이한 우수한 전극재료로서의 특성을 나타낼 수 있다. 또한 필름형태의 V2O5/PANi 복합체 전극물질은 리튬 이차전지 제조시 복잡한 여러 과정을 단축시킬 수 있고, 반복적인 충∙방전 과정에서 전기화학적으로 높은 용량(capacity) 및 안정성을 나타낼 수 있다. 본 실험에서는 리튬 이차전지의 양극물질로서 V2O5/PANi 복합체 필름을 3전극계 전기화학 셀을 이용하여 두 단계의 전기화학적 방법으로 제조하였다. 첫 단계에서 aniline 단량체를 포함하는 산성 수용액에서 전기화학적인 고분자화 과정 (-0.5 V ~ +1.0 V 범위를 주사하는 potentiodynamic법)에 의해 양질의 polyaniline 필름을 제조하고, 두번째 단계로 V4+를 포함하는 VOSO4 용액으로부터 V2O5를 polyaniline 필름에 산화증착 [정전류법(galvanostatic method) 또는 정전압법(potentiostatic method)] 시켜서 균일한 V2O5/PANi 복합체 필름을 제조할 수 있었다. 이때 V2O5/PANi 복합체 필름에 산화 증착되는 V2O5의 양을 증가시키기 위하여 VOSO4용액의 온도를 실온에서 60 oC까지 올렸다. V2O5가 산화 증착되는 과정 동안 전극표면과 전해질의 계면(interface) 특성을 전기화학적 임피던스를 측정(in-situ)하여 연구하였다. FESEM, FTIR. 및 열분석(TGA)을 통하여 표면의 morphology, 구조분석 및 성분비율을 결정하였다. 높은 온도의 VOSO4 용액에서 많은 양의 V2O5가 증착되는 반면, polyaniline의 특성이 다소 변하였음을 확인하였다. 1.0 M의 LiClO4전해질의 propylene carbonate (PC) 용액에서 cyclic voltammetry (CV)를 실시하여, CV의 피크전류로부터 Li+의 삽입/방출의 확산계수를 계산한 결과 V2O5/PANi 복합체 필름전극으로의 Li+의 확산계수는 V2O5 전극으로의 확산계수보다 크게 계산되었다. V2O5/PANi 복합체 필름 내에 V2O5의 함량을 계속 증가시켜서 (높은 온도용액) 만든 전극의 경우, Li+ 이온의 삽입/방출에 해당하는 CV의 피크 전류가 증가하였다가 감소하는 현상이 관찰되었다. 또한, V2O5/PANi 복합체 필름을 양극으로 하여 리튬 이차전지를 간편하게 제작하고 충∙방전 특성 및 V2O5 활성물질의 함량에 따른 용량을 측정하였다. V2O5의 함량이 아주 많은 V2O5/PANi 복합체 필름의 전지용량이 기대한 만큼 높게 나타나지 않았다. 이는 V2O5의 낮은 결정성으로 인하여 Li+이온의 삽입/방출이 제한된 것으로 추측한다. V2O5/PANi 복합체 필름 전극으로 제조한 리튬전지는 전지용량이 감소하지 않고 일정하며 아주 우수한 충∙방전 특성을 나타냈다. 감사의 글 = ii 요약문 = iii 목 차 = v 표 목차 = vi 그림 목차 =vii 1. 서론 = 1 1-1. 연구목적 및 필요성= 1 1-2. 리튬 이차 전지 = 2 1-3. 층상구조의 양극물질 V2O5 = 7 1-4. 전도성 고분자 Polyaniline = 12 1-5. Impedance spectroscopy = 17 2. 실험 장비 및 방법 = 22 2-1. 실험장비 = 22 2-2. 실험 방법 = 23 3. 결과 및 고찰 = 26 3-1. Polyaniline 필름의 전기화학적 제조 = 27 3-2. 정전압법(potentiostatic method)에 의한 V2O5의 산화증착 = 28 3-3. 정전류법(galvanostatic method)에 의한 V2O5의 산화증착 = 29 3-4. V2O5 산화증착 과정에서의 in-situ 임피던스 측정 = 31 3-5. 열중량분석법에 의한 V2O5 / PANi composite 필름의 성분비율 = 36 3-6. 분광학적 (FTIR)특성 = 38 3-6-1. Polyaniline의 IR spectrum = 38 3-6-2. V2O5 물질의 IR spectrum = 40 3-6-3. VOSO4 용액의 온도에 따른 V2O5/PANi film의 IR spectrum = 41 3-7. V2O5/PANi composite 필름의 FESEM 이미지 = 45 3-8. Polyaniline 필름의 전기화학적 특성 = 48 3-8-1. Cyclic voltammogram = 48 3-8-2. 리튬 이차전지 테스트 = 49 3-10. V2O5/PANi 복합체 필름의 전기화학적 특성 = 50 3-10-1. Cyclic voltammogram = 50 3-10-2. 리튬 이차전지 테스트 = 52 4. 결론 = 60 5. 참고문헌 = 62 Abstract = 65 kor The Graduate School, Ajou University 아주대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다. V2O5와 Polyaniline 복합 필름의 전기화학적제조 및 리튬 이차전지용 양극 물질로서의특성 연구 Electrochemical Preparation and Characterization of V2O5/Polyaniline Composite Film Cathode for Li Battery Thesis 아주대학교 일반대학원 Park Kyung-il 일반대학원 에너지시스템학부 2010. 2 Master http://dcoll.ajou.ac.kr:9080/dcollection/jsp/common/DcLoOrgPer.jsp?sItemId=000000010480 Polyaniline vanadium pentoxide electrochemical anodic deposition electrochemical polymerization 리튬 이차전지