소듐이온전지용 차세대 탄소 기반 음극재료의 합성

Abstract

소듐이온전지의 실용화에 탄소 기반 음극재료의 전기화학적 성능은 일반적으로 좋지 않다. 그 이유는 일반적으로 사용되는 카보네이트 계열의 전해질이 두꺼운 SEI 층을 형성하여 비가역용량을 증대시키고, 탄소재료 내에서 소듐이온이 그래핀 층의 삽입반응보다 무질서한 영역에 의존하기 때문이다. 최근 에테르 계열 용매분자를 이용한 흑연에 소듐 삽입을 촉진시키는 공동삽입반응이 효과적인 전략으로 보고되고 있다. 이러한 공동삽입반응을 이용함으로써 흑연 내에서의 가역용량을 비약적으로 상승 시킬 수 있지만, 실용화에 있어서 가역용량 및 쿨롱효율 등의 성능은 불만족스러운 수준이다. 이에 본 연구는 소듐이온전지의 가역용량을 크게 상승시키고 쿨롱효율 역시 실용화 수준으로 끌어올리는 새로운 탄소 기반 음극재료의 설계를 시도하였고, 이를 위해 에테르 계열의 전해질을 사용하여 탄소 기반 음극재료의 구조적 특성을 최대한 활용하려 하였다. 제 3장에서는 공동삽입반응을 효율적으로 작용 시킬 수 있는 탄소 기반 음극재료를 합성하였다. 합성된 탄소 기반 음극재료는 터보스트래틱 구조로 인한 넓은 경로를 가지며, 작은 1차 입자로 인해 공동삽입반응이 효과적으로 일어난다. 또한 내부 비정질 구조에 존재하는 수많은 보이드로 인해 소듐저장 용량이 크게 증가했고, 표면 기공 구조로 인한 공동삽입반응으로 SEI 층의 형성이 억제되었다. 이로써 첫 사이클 쿨롱효율은 85%에 이르렀다. 제 4장에서는 제 3장에서와 동일한 공정을 이용하였고, 합성 과정에서 탄소 내부에 소듐 도핑을 시도하였다. 도핑된 소듐은 크게 두 가지 역할을 하는데, 첫 번째로 탄소 내에 도핑된 소듐 원자가 방전 과정에서 탄소 내부로부터 방출됨으로써 쿨롱효율을 보상하는 역할을 한다. 이러한 보상 활동으로 인해 사이클링 기간 동안 쿨롱효율은 100%를 초과했고 심지어 105%를 달성하였다. 두 번째로 도핑된 소듐이 탄소로부터 연속적으로 방출 될 때, 새로운 공간이 생겨서 더 많은 소듐이 해당 공간에 저장된다. 이는 사이클링 동안 가역용량을 지속 증가시켰다. 또한 역시 탄소 기반 음극재료의 표면 기공 구조로 인한 공동삽입반응으로 SEI 층의 형성이 억제됨으로, 첫 사이클 쿨롱효율은 85%에 도달할 수 있었다. 따라서 본 연구에서 합성된 탄소 기반 음극재료는 소듐이온전지에서 차세대 물질을 사용하지 않고 순수 탄소재료만으로 유용한 음극재료를 설계할 수 있음을 보여준다.