PVDC-Assisted Carbon Coating for Enhanced Capacity and Rate Performance of LiMn0.5Fe0.5PO4 Cathode = LiMn0.5Fe0.5PO4 양극재의 용량 및 율속 특성 향상을 위한 PVDC 보조 탄소 코팅

국문 초록 (Abstract)

LiMn0.5Fe0.5PO4(LMFP)는 차세대 양극 소재로 각광받고 있으나 낮은 전기전도도와 제한적인 용량이라는 한계를 가진다. 본 연구는 polyvinylidene chloride(PVDC)가 혼합된 탄소원을 도입하여 LMFP의 carbon layer에 structural defects 형성을 통해 비표면적 확장을 유도하고 작용기를 형성하여 전기화학적 성능을 향상시키고자 하였다. PVDC는 열분해 과정에서 HCl 가스를 방출하며 탄소 공급원의 역할과 pore 형성과 표면 작용기 도입을 유도하는 특성을 가진다. 이를 통해 전극 표면에서의 반응성과 활성 site를 증가시키고자 하였다. Carbon coating source로 PVDC를 LMFP의 20 wt.%만큼 도입한 LMFP/C–PVDC20 시료는 125 m2 g-1의 가장 높은 비표면적을 보인다. 전기화학적 성능 평가 결과 PVDC20 sample은 147 mAh g-1(0.1C)의 용량을 보여 LMFP/C(119 mAh g-1) 및 G42(131 mAh g-1) samples보다 우수한 성능을 나타냈다. 또한 0.1C 대비 5C에서 기존보다 20% 향상된 40%의 용량 유지율과 500 사이클(5C) 후 94%의 가장 높은 용량 보존율을 기록하여 율속 및 장수명 특성을 입증하였다. 따라서 LMFP/C–PVDC20은 높은 용량, 우수한 율속, 그리고 안정된 장수명 특성을 동시에 확보한 최적의 시료로 확인되었다. 이는 PVDC가 단순한 carbon source를 넘어 기능성 첨가제로 작용하여 양극재의 고용량·고율·장수명 성능 향상에 효과적임을 보여주며, 차세대 리튬이온 배터리 실용화를 위한 유망한 전략임을 시사한다.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. INTRODUCTION 1
• Ⅱ. THEORY BACKGROUND 3
• Ⅱ−1. Battery 3
• Ⅱ−1−1. Difference between battery and supercapacitor 3
• Ⅱ−1−2. Components of battery 6
• Ⅱ−2. Cathode 8
• Ⅱ−3. Li-ion battery 10
• Ⅱ−3-1. LiMn0.5Fe0.5PO4 cathode 15
• Ⅱ−3-2. Synthesis of LiMn0.5Fe0.5PO4 15
• Ⅱ−3-3. Carbon coating of LiMn0.5Fe0.5PO4 cathode 16
• Ⅱ−4. Electrochemical Analysis 17
• Ⅱ−4−1. Cyclic voltammetry 17
• Ⅱ−4−2. Electrochemical impedance spectroscopy 17
• Ⅱ−4−3. Galvanostatic charge-discharge 21
• Ⅲ. EXPERIMENTAL METHODS 23
• Ⅲ−1. Synthesis of LiMn0.5Fe0.5PO4 active material 23
• Ⅲ−2. Physical/Electrochemical analysis 25
• Ⅲ−2−1. Surface area and pore size distribution analysis 25
• Ⅲ−2−2. Defect and functional group analysis 25
• Ⅲ−2−3. Crystal structure and lattice parameter analysis 26
• Ⅲ−2−4. Thermogravimetric and morphology analysis 26
• Ⅲ−2−5. Electrical conductivity analysis 26
• Ⅲ−3. Electrochemical characterization 27
• Ⅲ−3−1. Electrode preparation and cell assembly 27
• Ⅲ−3−2. Electrochemical performance analysis 29
• Ⅳ. RESULTS AND DISCUSSION 30
• Ⅳ−1. Characteristics of PVDC-derived carbon and glucose-derived carbon 30
• Ⅳ−1−1. Surface area and pore distribution analysis 30
• Ⅳ−1−2. Crystal structure analysis 34
• Ⅳ−2. Characteristics of LiMn0.5Fe0.5PO4 36
• Ⅳ−2−1. Surface area and pore distribution analysis 36
• Ⅳ−2−2. Crystal structure analysis 39
• Ⅳ−2−3. Defect analysis 42
• Ⅳ−2−4. Carbon content analysis 44
• Ⅳ−2−5. Electrical conductivity analysis 47
• Ⅳ−3. Electrochemical properties of LiMn0.5Fe0.5PO4 49
• Ⅳ−3−1. Activation process 49
• Ⅳ−3−2. Redox reaction analysis 50
• Ⅳ−3−3. Electrochemical impedance analysis 52
• Ⅳ−3−4. Discharge capacity and rate capability 54
• Ⅳ−3−5. Cycling stability 58
• Ⅴ. CONCLUSION 61
• REFERENCE 63
• 초록 72