Mixed-Valence Mn-Co Oxide/Reduced Graphene Oxide Nanoshell Composites as High-Performance Anodes for Lithium-Ion Batteries : 리튬이온전지 음극 성능 향상을 위한 혼합 원자가 Mn-Co 산화물 및 환원된 그래핀 산화물 나노쉘 복합체

국문 초록 (Abstract)

탄소중립 시대의 도래와 함께 전기차와 휴대용 전자기기의 보급이 빠르게 확산되면서 리튬이온전
지(LIB)에 대한 수요가 꾸준히 증가하고 있다. 이에 따라 높은 용량과 우수한 속도 특성, 그리고
장기적인 사이클 안정성을 동시에 만족할 수 있는 차세대 음극 소재의 개발이 절실하다. 본 연구
에서는 이러한 요구에 대응하기 위해 코발트가 도핑된 망간 산화물/환원 그래핀 산화물 중공 나
노쉘 (rGO/MCO-NS) 복합체를 설계하고 음극 소재로 적용하였다. 이 독창적인 구조는 Co 도핑
효과와 rGO 시트의 나노 구속 효과를 결합함으로써, 망간계 산화물 음극이 갖는 낮은 전기 전도
도와 큰 부피 변화라는 근본적인 한계를 효과적으로 극복하였다. 국소 전자 및 원자 구조는 X-선
흡수 분광법을 통해 정밀하게 분석되었으며, 그 결과 Co 도입과 열적 환원 과정을 통해 산소 공
공이 풍부한 망간 2가, 3가와 코발트 2가 혼합 원자가 격자가 형성됨을 확인하였다. 이러한 맞춤
형 나노구조를 바탕으로 rGO/MCO-NS 음극은 높은 가역 용량, 뛰어난 속도 성능, 우수한 사이
클 안정성을 동시에 확보하였으며, 이는 도핑되지 않은 시료나 환원된 그래핀 산화물이 없는 시
료보다 월등히 향상된 성능이다. 또한 전기화학적 분석 결과, 리튬 저장 과정이 빠른 전하 전달
동역학을 동반한 의사정전용량 거동에 의해 지배됨을 확인하였고, 독특한 사이클링 유도 활성화
현상으로 인해 장기 사이클링에서도 가역 용량이 오히려 증가하는 특성이 나타났다. 종합적으로,
본 연구는 이종 원자 도핑과 나노 구속 전략을 결합한 효과적인 설계 방안을 제시하며, 차세대
리튬이온전지용 고성능 음극 소재 개발의 가능성을 보여준다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

With the growing demand for high-performance lithium-ion batteries (LIBs) driven by carbon
neutrality and the expansion of electric vehicles, the development of advanced anode materials
is essential. Here, we report a hierarchical cobalt-doped manganese oxide/reduced graphene
oxide hollow nanoshell (rGO/MCO-NS) composite as a high-performance anode for LIBs. The
unique architecture integrates Co doping and rGO nanoconfinement, effectively overcoming the
low conductivity and large volume variation of Mn-based oxides. X-ray absorption
spectroscopy revealed that Co incorporation and thermal reduction generate a mixed-valence
Mn²⁺/Mn³⁺ and Co²⁺ lattice enriched with oxygen vacancies. Benefiting from this tailored
structure, rGO/MCO-NS exhibits high reversible capacity, excellent rate capability,
outperforming undoped or rGO-free counterparts. Electrochemical analysis further confirmed
pseudocapacitive-dominated storage with fast charge-transfer kinetics and cycling-induced
activation. This work demonstrates a synergistic strategy of heteroatom doping and
nanoconfinement for the rational design of durable, high-performance anode materials.

목차 (Table of Contents)

• I. Introduction 1
• II. Experimental Section 5
• 2.1 Synthesis of GO and rGO 5
• 2.2 Synthesis of PS beads 5
• 2.3 Synthesis of Mn0.8Co0.2O2 and Undoped MnO2 Nanosheet Colloid 6
• 2.4 Fabrication of rGO/MCO-NS, MCO-NS, and MO-NS 7
• 2.5 Electrode Preparation and Li Half-Cell Assembly 8
• 2.6 Electrochemical Characterization 9
• 2.7 Materials Characterization 9
• III. Results and Discussion 13
• 3.1 Structure Analysis 13
• 3.1.1 X-ray Diffraction (XRD) 13
• 3.1.2 FE-SEM, FE-TEM and EDS 16
• 3.1.3 X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS) 25
• 3.1.4 X-ray Absorption Spectroscopy (XAS) 27
• 3.1.5 Other analysis ( DRS, FT-IR, Raman, TGA, BET) 32
• 3.2 Electrochemical Analysis 43
• 3.2.1 Charge;/Discharge Cycling Test 43
• 3.2.2 Cyclic Voltammetry (CV) 50
• 3.2.3 Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS ) 56
• IV. Conclusion 60
• Reference 61
• Abstract(English) 69
• Abstract(Korean) 70