고전도성 SnO2/Graphene 복합체의 효율적인 One-Pot 합성법과 리튬 이온 배터리 응용
Facile one-pot synthesis of highly conductive SnO2/Graphene composite for lithium ion batteries
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초록
Graphene oxide(GO) 복합재료는 에너지 저장 장치 분야에서 유망한 성능을 보여주지만, 본질적으로 낮은 전기전도성으로 인해 복잡한 다단계의 환원 과정을 요구한다. 본 연구에서는 edge oxidized graphene(EOG)과 Sn 전구체를 혼합하여 추가적인 환원 과정을 생략하고, 리튬 이온 배터리 음극에 적합한 전도성 SnO2/graphene 복합체를 제작하였다. 고전도성 SnO2/EOG 복합체는 전도성 탄소의 첨가 없이도 전극 층에 쉽게 적용되었으며, SnO2/GO 기반 전극(30 mAh/g)과 비교하여 5 C scan rate에서 우수한 가역 용량인 556 mAh/g을 달성하였다. 또한, 전도성 탄소 없이도 SnO2/EOG 복합체가 0.33 C에서 100회 충·방전 동안 안정적인 900 mAh/g의 가역 용량을 유지함을 실험적으로 확인하였다. 동일한 방법으로 제작된 GO 기반 전극은 낮은 전도성과 초기 20회 충·방전 동안 급격히 감소 하는 용량으로 인해 열악한 전기화학적 성능을 보였다. 본 연구에서 제안된 간단한 graphene 복합체 제작 방법은 에너지 저장 장치의 효율적이고 정교한 전극 설계를 가능하게 하며, 대량 생산으로 확장할 수 있는 높은 상업적 잠재력을 지니고 있다.
Abstract
Graphene oxide (GO) based composite materials have shown promising performance for energy storage devices but their preparation requires complex multistep reduction processes due to their intrinsic low electrical conductivity. This study used edge oxidized graphene (EOG) to create a conductive SnO2/graphene composite suitable for lithium ion battery anodes by simply mixing EOG dispersion and Sn precursor, avoiding further reduction steps. The highly conductive SnO2/EOG composite readily integrated into the electrode layer without requiring a conducting carbon and achieved superior 556 mAh/g reversible capacity at 5 C scan rate, compared with SnO2/GO based electrodes (30 mAh/g). We experimentally achieved stable 900 mAh/g reversible capacity over 100 cycles at 0.33 C in the absence of conducting carbon for the proposed conductive SnO2/EOG composite. Conventional GO based electrodes prepared by identical methods exhibited poor electrochemical performance with low conductivity and rapidly fading capacity over the initial 20 cycles. The simple proposed method to constructing conduct the graphene composite enables rational compact electrode design for energy storage devices that could be upscaled to mass production with significant commercial application potential.