리튬이차전지의 음극 소재로써 β-VPO5에 대한 Nb 도핑 및 LATP 코팅의 복합 효과 연구 = Effects of Nb doping combined with LATP coating on β-VPO5 as an anode material for Li-ion batteries

국문 초록 (Abstract)

β-VPO5는 낮은 부피 변화를 가지는 유망한 음극 소재(이론용량 331 mAh g-1)지만, 전자전도성이 낮고 충·방전 과정에서 쉬운 결정 구조 왜곡을 보이는 한계가 있다. 본 연구에서는 미량의 Nb 치환과 얇은 Li1.3Al0.3Ti1.7(PO4)3 (LATP) 코팅을 결합한 이중 개질 전략을 제안하였으며, 두 단계의 고상반응을 통해 V1-xNbxPO5@LATP (x=0.01) 시료를 합성했다. 제조된 전극은 2032형 Li 반전지(0.05–3.0 V vs. Li/Li+)에서 전기화학적 성능을 평가했다. 순환 전압전류법 결과, Nb 도핑 및 LATP 코팅 시료에서 뚜렷하고 다단계의 V 산화환원 거동이 나타났으며, 분극이 감소하여 반응 속도 향상과 계면 안정화가 이루어졌음을 확인했다. 100-5000 mA g-1의 전류밀도 범위에서 측정된 정전류 충·방전 결과, 개질된 시료는 우수한 속도 특성을 보였으며, 장기 사이클링에서도 높은 가역 용량을 확인했다. 이러한 성능 향상은 (i) Nb 도핑에 의한 전자전도성 및 격자 안정성 개선으로 전자 밀도 조절과 구조 왜곡 억제 효과가 나타났고, (ii) LATP 층이 인공 고체전해질 계면(SEI)으로 작용하여 Li+ 이동을 촉진하고 입자 표면을 보호한 결과로 판단된다. 종합적으로, Nb 도핑과 LATP 코팅의 시너지 효과를 통해 β-VPO5는 높은 안정성과 빠른 반응 속도를 갖춘 고성능 음극재로 개선되었다.

목차 (Table of Contents)

• English Abstract i
• 국문 초록 ii
• List of Tables v
• List of Figures vi
• 1. Introduction 1
• 1.1 Background 1
• 1.2 Role of Lithium-Ion Batteries 4
• 1.3 Basic Working Principle of Lithium-Ion Batteries (Anode-Cathode-Electrolyte) 6
• 2. Why Study Anode Materials? 9
• 2.1 Evolution of Anode Materials in Lithium-Ion Batteries 9
• 2.2 Challenges in High-Capacity Anode Materials 14
• 3. Focus of This Thesis 15
• 3.1 Research Gap 18
• 3.2 Objectives of This Thesis 20
• 4. Experimental 22
• 4.1 Synthesis Process 22
• 4.2 Material Characterization Techniques 24
• 4.3 Electrode Preparation and Electrochemical Measurements 25
• 5. Results and Discussion 27
• 5.1 Material characterization 27
• 5.1.1 X-ray diffraction (XRD) patterns 27
• 5.1.2 Magic angle spinning nuclear magnetic resonance (MAS NMR) 29
• 5.1.3 Field emission scanning electron microscopy and energy dispersive x-ray spectroscopy (FE-SEM/EDX) 31
• 5.1.4 X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) 33
• 5.2 Electrochemical performance 35
• 5.2.1 Cyclic voltammetry 35
• 5.2.2 Electrochemical impedance spectroscopy 37
• 5.2.3 Rate capability 40
• 5.2.4 Long-term cycling stability 43
• 6. Conclusion 46
• 7. References 47