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논문 기본 정보
- 자료유형
- 학위논문
- 저자정보
- 지도교수
- 정순기
- 발행연도
- 2018
- 저작권
- 순천향대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
이용수8
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리튬 이차전지의 음극소재 중, 리튬 금속은 중량당 용량과 부피당 용량이 크고, 낮은 산화/환원 전위를 가지고 있다는 장점으로 이차전지의 음극소재로 각광받고 있다. 그러나 충/방전이 반복됨과 동시에 리튬 금속 표면에 수지상 리튬 (Dendritic lithium)이 생성되고 리튬 금속의 높은 반응성으로 인해 안전성의 문제가 발생하기 때문에 리튬 이차전지의 음극소재로 상용화가 어려운 상황이다. 이러한 리튬 금속의 표면에는 native film이 존재하며 이를 이루는 리튬 화합물들이 전해질과 만나 발생하는 화학 반응을 통해 고체 전해질 인터페이스 (Solid Electrolyte Interphase, SEI)가 형성된다고 보고되고 있다. 전극과 전해액 계면에서 생성되는 SEI film이 얇고 치밀할 경우 리튬 금속 전지의 가장 큰 문제점인 수지상 리튬의 성장이 억제되어 전지의 성능이 향상 된다고 알려져 있다. 그렇기 때문에 리튬 금속 표면에 생성되어 있는 native film의 두께와 구성 성분의 종류, 함량 등에 대한 분석은 리튬 금속 전지의 연구에서 중요한 부분이다. 따라서 본 연구는 잉곳 상태의 리튬 금속이 압출기에서 압출되어 나오는 속도 제어를 통해 리튬 금속 표면의 온도에 변화를 주었고 이 온도 변화가 생성되는 native film에 미치는 영향을 알아보기 위해 진행되었다.
먼저 26.8 ± 2 ℃, 38.7 ± 2 ℃, 55.1 ± 2 ℃의 온도에서 3가지 리튬 금속 시료를 얻었다. 실험은 3가지 시료를 이용해 2032 coin 셀을 제작하여 수행했다. Full 셀과 Li/Li 대칭 셀을 제작하여 전기화학적 특성을 확인했다.
전기화학적 수명 특성 확인을 통해 세 시료가 각기 다른 전기화학적 거동을 가지는 것을 확인했다. 26.8 ± 2 ℃에서 얻은 리튬 금속이 가장 급격한 용량 감소를 보였고 55.1 ± 2 ℃에서 얻은 리튬 금속이 가장 안정한 용량을 구현하는 것을 확인했다. 단지 리튬 금속의 표면 온도만 변화를 주었을 뿐인데 전기화학적 특성이 종속 변수가 되어 시료마다 각기 다른 특성을 보이는 이유는 리튬 금속 표면 온도를 달리해 줌으로써 표면에 생성되는 native film이 변화했기 때문일 것으로 보고 있다,
이러한 전기화학적 특성 차이가 리튬 금속 계면의 변화 때문일 것으로 판단하여 X선 광전자 분광법 (X-ray Photoelectron Spectroscopy, XPS)을 실시했다. XPS 분석을 통해 26.8 ± 2 ℃, 38.7 ± 2 ℃, 55.1 ± 2 ℃에서 얻은 각 리튬 금속 시료에 생성되어있는 native film과 SEI film의 두께와 이를 이루고 있는 리튬 화합물들의 조성이 다른 것을 확인했다. 또한 전기화학적 임피던스 분광법 (Electrochemical Impedance Spectroscopy, EIS)을 이용해 리튬 금속 계면에서 발생하는 저항을 측정한 결과 각 리튬 금속에서 생성된 SEI film의 두께와 공극률이 다르기 때문에 각기 다른 계면저항이 발생하는 것을 확인했다.
본 연구로부터 다른 변화 요인 없이 리튬 금속 표면의 온도를 제어하는 것만으로 생성되는 native film의 구조가 변화하고 전지의 전기화학적 특성에 영향을 미치는 것을 알았다.
먼저 26.8 ± 2 ℃, 38.7 ± 2 ℃, 55.1 ± 2 ℃의 온도에서 3가지 리튬 금속 시료를 얻었다. 실험은 3가지 시료를 이용해 2032 coin 셀을 제작하여 수행했다. Full 셀과 Li/Li 대칭 셀을 제작하여 전기화학적 특성을 확인했다.
전기화학적 수명 특성 확인을 통해 세 시료가 각기 다른 전기화학적 거동을 가지는 것을 확인했다. 26.8 ± 2 ℃에서 얻은 리튬 금속이 가장 급격한 용량 감소를 보였고 55.1 ± 2 ℃에서 얻은 리튬 금속이 가장 안정한 용량을 구현하는 것을 확인했다. 단지 리튬 금속의 표면 온도만 변화를 주었을 뿐인데 전기화학적 특성이 종속 변수가 되어 시료마다 각기 다른 특성을 보이는 이유는 리튬 금속 표면 온도를 달리해 줌으로써 표면에 생성되는 native film이 변화했기 때문일 것으로 보고 있다,
이러한 전기화학적 특성 차이가 리튬 금속 계면의 변화 때문일 것으로 판단하여 X선 광전자 분광법 (X-ray Photoelectron Spectroscopy, XPS)을 실시했다. XPS 분석을 통해 26.8 ± 2 ℃, 38.7 ± 2 ℃, 55.1 ± 2 ℃에서 얻은 각 리튬 금속 시료에 생성되어있는 native film과 SEI film의 두께와 이를 이루고 있는 리튬 화합물들의 조성이 다른 것을 확인했다. 또한 전기화학적 임피던스 분광법 (Electrochemical Impedance Spectroscopy, EIS)을 이용해 리튬 금속 계면에서 발생하는 저항을 측정한 결과 각 리튬 금속에서 생성된 SEI film의 두께와 공극률이 다르기 때문에 각기 다른 계면저항이 발생하는 것을 확인했다.
본 연구로부터 다른 변화 요인 없이 리튬 금속 표면의 온도를 제어하는 것만으로 생성되는 native film의 구조가 변화하고 전지의 전기화학적 특성에 영향을 미치는 것을 알았다.
목차
국문요약제 1 장 서론 1제 2 장 연구이론 4제 1 절 리튬이차전지의 개요 및 원리 4제 2 절 리튬금속이차전지 81. 리튬 금속이차전지의 원리 82. 고체상 전해질 인터페이스 133. Native Film 17제 3 절 연구목적 19제 3 장 실험 21제 1 절 리튬 금속 압출 21제 2 절 전기화학적 특성 분석 231. 전기화학적 수명 특성 테스트 232. 전기화학적 임피던스 분광법 23제 3 절 X선 광전자 분광법 25제 4 장 연구결과 및 고찰 26제 1 절 전기화학적 수명 특성 테스트 26제 2 절 Native film & SEI film의 XPS 분석 291. Native film 292. SEI film 32제 3 절 리튬 계면 저항 EIS 분석 38제 4 절 피막의 공극률과 전기화학 특성 40제 5 장 결론 44참고문헌Abstract감사의 글
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