전기방사를 이용한 리튬 이차전지용 양극활물질 Li[Fe0.9Mn0.1]PO4 나노 섬유의 합성 및 전기화학적 특성
Synthesis and Electrochemical Properties of Li[Fe0.9Mn0.1]PO4 Nanofibers as Cathode Material for Lithium Ion Battery by Electrospinning Method
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초록
올리빈 구조를 가지는 LiFePO4 양극활물질은 낮은 가격과 높은 안정성으로 인해 리튬 이차전지시장에서 큰 관심을 받고 있다. 그러나 낮은 이온 전도도와 작동전압 때문에 상업적으로 이용되기엔 사용분야의 응용에 제한이 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해서 철 양이온을 망간 양이온과 같은 전이금속으로 치환함으로써 작동전압을 높이는 연구가 시행되고 있다. 또한 미세구조의나노화를 통해 리튬 이온의 확산거리를 짧게 만들어 줌으로써 이온 전도도를 높여주는 연구도진행 중이다. 그래서 이번 연구에서는 이온의 확산거리를 짧게 만들어 주기 위해 표면적을 넓힐수 있는 전기방사를 이용해 물질을 합성하였고, 이를 확인하기 위하여 시차주사현미경 관측을 통해 균일한 나노 섬유의 형성을 확인하였다. 또한 결정구조를 관찰하기 위해 X-선 회절 분석을하였는데, 다른 상의 관찰 없이 단일상의 결정구조를 얻음을 확인하였다. 전기화학적 성능 확인방법으로는 충방전 테스트기를 이용하여 초기 충방전 곡선을 분석하였고, 계면저항 및 리튬 양이온의 확산을 알아보기 위해 임피던스 측정을 실행하였다.
Abstract
LiFePO4 is an attractive cathode material due to its low cost, good cyclability and safety. But it has low ionic conductivity and working voltage impose a limitation on its application for commercial products. In order to solve these problems, the iron(Fe2+) site in LiFePO4can be substituted with other transition metal ions such as Mn2+ in pursuance of increase the working voltage. Also, reducing the size of electrode materials to nanometer scale can improve the power density because of a larger electrode-electrolyte contact area and shorter diffusion lengths for Li ions in crystals. Therefore, we chose electrospinning as a general method to prepare Li[Fe0.9Mn0.1]PO4 to increase the surface area. Also, there have been very a few reports on the synthesis of cathode materials by electrospinning method for Lithium ion batteries. The morphology and nanostructure of the obtained Li[Fe0.9Mn0.1]PO4 nanofibers were characterized using scanning electron microscopy(SEM). X-ray diffraction(XRD) measurements were also carried out in order to determine the structure of Li[Fe0.9Mn0.1]PO4 nanofibers. Electrochemical properties of Li[Fe0.9Mn0.1]PO4 were investigated with charge/discharge measurements, electrochemical impedance spectroscopy measurements(EIS).
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