급속충전이 가능한 타이타늄옥사이드 기반 음극재 제작과 리튬이차전지 적용

초록

최근 급속충전시에도 안정적인 리튬이온 배터리의 수요가 증가함에 따라 기존 그래파이트를 대체할 수 있는 타이타니아 기반 물질에 대한 많은 연구가 진행되고 있다. 하지만 타이타니아는 그래파이트에 비해 낮은 이론 용량을 가진다는 단점이 있다. 이를 해결하기 위해 산화 코발트, 산화 구리 등 높은 용량을 가지는 여러가지 전이금속 산화물을 도입하는 시도가 많이 이루어지고 있다. 하지만 충·방전시 높은 부피팽창 으로 인한 사이클 수명 저하 문제는 아직까지 큰 해결과제로 남아있다. 따라서, 본 연구에서는 양극산화 방법을 이용하여 충·방전시 부피팽창 변화가 매우 적고, 넓은 비표면적을 갖는 타이타니아 나노튜브 구조를 제작한 후, 그 위에 비교적 간단한 스프레이 공정을 이용하여 산화코발트 및 가격이 저렴하고 높은 이론용량을 가지는 산화구리를 코팅한 복합체를 형성하였다. 또한, 두 물질 간 시너지 효과를 극대화 시키기 위하여 코팅한 전이금속산화물의 몰비율을 최적화 하였으며, 이를 리튬이온 배터리에 적용시킨 결과, 기존 그래파이트 음극재에 비해 약 5배 이상의 높은 부피용량과 (~3330 mAh cm-3) 비교적 높은 무게용량 (~800 mAh g-1) 을 가졌고, 높은 전류밀도에도 구조적인 안정성을 유지함으로써 급속충전이 가능한 전극재로의 성능을 나타냄을 확인하였다.