Hollow Titanoniobate/Reduced Graphene Oxide Nanocomposite for Ultrafast Lithium-ion Battery Anodes : 초고속 리튬이온배터리 음극용 중공 구조 타이타노나이오베이트/환원된 그래핀 옥사이드 나노복합체

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The development of high-performance anode materials with outstanding rate performance and electrochemical stability over prolonged cycling is essential for the progress of next-generation lithium-ion batteries (LIBs). The conventional anode materials for LIBs, however, suffer from inherent limitations such as low electrical conductivity, slow Li+ diffusion kinetics, and structural deterioration upon cycling. To address these limitations, we propose titanoniobate-based composite as a promising anode material for LIBs. Herein, a hollow-structured TiNbO5/Ti2Nb2O9–reduced graphene oxide (TNO/RGO-HS) nanocomposite was synthesized through a layer-by-layer assembly strategy and subsequent controlled heating process. Upon thermal treatment at 450 °C under an argon atmosphere, the TiNbO5 phase partially transformed to Ti2Nb2O9, resulting in the coexistence of TiNbO5 and Ti2Nb2O9 phases. This dual-phase configuration leads to a more diverse distribution of grain boundaries, which can act as additional active sites for lithium-ion transport. The integration with RGO forms a conductive network that enhances electron transport, thereby improving cycling stability. Benefiting from these characteristics, the TNO/RGO-HS anode delivers enhanced pseudocapacitance, reduced charge-transfer resistance and superior electrochemical performance at high current density. The TNO/RGO-HS anode maintains a reversible capacity of ~396 mAh g-1 after 600 cycles at 1 A g-1 and delivers ~ 92 mAh g-1 at an ultra-high current density of 30 A g-1. This exceptional performance is attributed to the synergistic effects of a hollow-sphere titanoniobate nanostructure and graphene-based conductive network, offering an effective design strategy for high-rate LIB anodes.

국문 초록 (Abstract)

차세대 리튬이온배터리(LIB)의 발전을 위해서는 우수한 속도 특성과 장기간 구동 시 안정성을 동시에 확보할 수 있는 고성능 음극 소재의 개발이 필수적이다. 그러나 기존 상용화된 음극 소재들은 낮은 전기 전도도, 느린 리튬 이온 확산 동역학, 충방전 반복 과정에서의 구조적 열화와 같은 문제점을 지니고 있다. 이러한 한계를 극복하기 위하여 본 연구에서는 타이타노나이오베이트 기반 복합체를 리튬이온배터리 음극 소재로 제안하였다. 본 연구에서는 층별 자기조립 이후 열처리 과정을 통해 중공 구조를 갖는 TiNbO5/Ti2Nb2O9-환원된 그래핀 옥사이드(TNO/RGO-HS) 나노 복합체를 합성하였다. 아르곤 분위기 하에서 450℃의 열처리를 수행한 결과, TiNbO5 상의 일부가 Ti2Nb2O9상으로 전환되어 두 상이 공존하는 구조가 형성되었다. 이러한 이중 상 구조는 결정립계(grain boundary)의 다변화를 유도하여 추가적인 리튬 이온 전도 활성 사이트를 제공한다. 또한, 환원된 그래핀 옥사이드(RGO)와의 결합을 통해 형성된 탄소 전도성 네트워크는 전자 이동을 촉진시켜 전극의 순환 안정성을 향상시켰다. 이와 같은 구조적 및 전기화학적 특성에 기인하여 TNO/RGO-HS 전극은 향상된 유사 커패시턴스(pseudocapacitance) 특성, 감소된 전하 전달 저항, 그리고 고전류 밀도 조건에서의 우수한 전기화학적 성능을 나타내었다. 실제로 본 전극은 1 A g-1의 전류 밀도에서 600회 사이클 이후 약 396 mAh g=1의 가역 용량을 유지하였으며, 초고전류밀도인 30 A g-1 조건에서도 약 92 mAh g=1의 용량을 유지하였다. 이러한 성능은 중공 구형 타이타노나이오베이트 나노구조와 그래핀 기반 전도 네트워크의 시너지 효과에 기인한 것으로, 차세대 고속 충방전 리튬이온배터리(LIB) 음극 설계를 위한 효과적인 전략을 제시할 것으로 기대된다.

목차 (Table of Contents)

• I. Introduction 1
• Ⅱ. Experimental Section 4
• 2.1 Synthesis of PS beads 4
• 2.2 Synthesis of Graphene Oxide (GO) and GO nanosheets 5
• 2.3 Fabrication of RGO-HS 6
• 2.4 Synthesis of TiNbO5 nanosheets 7
• 2.5 Fabrication of TNO/RGO-HS and TNO-HS 9
• 2.6 Characterization 10
• 2.7 Assembly of Li half cells and electrochemical characterization 11
• Ⅲ. Results and Discussion 13
• 3.1 Structural Analysis 15
• 3.1.1 SEM 15
• 3.1.2 XRD 17
• 3.1.3 FT-IR & UV-vis 19
• 3.1.4 XPS 22
• 3.1.5 XAS 25
• 3.1.6 TEM 30
• 3.1.7 Ex-situ SEM 33
• 3.2 Electrochemical Analysis 35
• 3.2.1 Galvanostatic Charge-Discharge (GCD) Cycling Test 35
• 3.2.2 Cyclic Voltammetry (CV) 38
• 3.2.3 Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS) and Distribution of relaxation times (DRT) 42
• Ⅳ. Conclusions 46
• Reference 47
• Abstract (English) 57
• Abstract (Korean) 59