고성능 리튬이온배터리 전해질로서 탄소양자점 이온화합물의 연구 = A high performance of lithium secondary battery using carbon dot as an electrolyte

국문 초록 (Abstract)

탄소양자점은 주로 탄소로 구성된 10 nm 미만의 구체형태의 나노 물질로서, sp2 결합의 탄소로 이루어진 내부 구조로 인해 전하가 비편재화 되어있다[1]. 또한 합성방식에 따라 가장자리에 산소 함유 작용기가 많다는 특징이 있다[2]. 이러한 특성을 바탕으로 본 연구에서는 탄소양자점 이온화합물을 합성하고 이를 리튬이차전지의 전해질 염으로 응용하였다. 탄소양자점은 각각 하향식 방식과 상향식 방식으로 합성을 진행하였으며, 탄소양자점 가장자리의 양성자(proton)를 금속 양이온으로 치환하여 탄소양자점 음이온-금속양이온으로 구성된 이온화합물을 얻었다. 합성된 탄소양자점 이온화합물을 수계에서 순환전압전류법 등 전기화학적 분석을 진행하여 지지전해질 특성을 평가했다. 이 중 전해질 성능이 더 우수한, 하향식 방식으로 만들어진 탄소양자점 이온화합물을 리튬이차전지의 전해질 염으로 적용 하였다. 이 때 리튬이차전지에 주로 사용되고 있는 1 M LiPF6 전해액을 실험 대조군으로 사용하였다. 전지특성평가는 정전류충방전실험, 임피던스 분광법을 수행하였으며, 이를 통해 리튬이차전지의 전해질 염으로서의 특성을 평가하였다. 실험 결과 0.2 C C-rate(배터리의 방전율, current rate) 조건 하에서 탄소양자점 이온화합물 전해액은 대조군 LiPF6 전해액에 비해 농도가 약 60배 낮음에도 불구하고 비견할만한 초기 충방전 특성을 보였다(0.0168 M 탄소양자점 이온화합물 : 154 mAh/g, 1 M LiPF6 : 159 mAh/g). 그리고 탄소양자점 이온화합물 전해액은 2.8 ∼ 5.0 V의 전압 범위에서 전기화학적으로 안정함을 확인하였다. 또한 탄소양자점 이온화합물 전해액은 대조군 LiPF6 전해액에 비해 리튬이동수가 더 큰 값으로 확인되었는데(0.0168 M 탄소양자점 이온화합물 tLi+ : 0.62, 1 M LiPF6 tLi+: 0.37), 이는 탄소양자점의 구조적 특징으로 인한 것으로 보인다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Carbon dots are spherical nanomaterials less than 10 nm predominantly composed of carbon. Carbon dots have delocalized charges due to their internal sp2 structure. In addition, there are many oxygen-containing functional groups at the edges and the surfaces, which makes it easy to substitute protons on the surface with metal cations. Based on these characteristics, this study aimed to verify the effectiveness of the carbon dot as an electrolyte salt of lithium secondary battery. The two kinds of carbon dots (top-down and bottom-up) are synthesized and protons at the edges of carbon dots are substituted with metal cations to obtain carbon dot anion-metal cation ionic compounds. Cyclic voltammetry and electrochemical impedance spectroscopy were investigated in aqueous media for evaluating the characteristics as supporting electrolyte of two ionic compounds. Consequently, the top-down carbon dot ionic compound have better electrolyte performance than bottom-up carbon dot ionic compound. Based on the results of the supporting electrolyte experiments using carbon dot ionic compound, top-down carbon dot ionic compound solution with 0.0168 M was applied to a lithium secondary battery (LIB) electrolyte. 1 M LiPF6, which is generally used in LIB was used as an experimental control. The experimental results showed that the carbon dot ionic compound electrolyte solution under the conditions of 0.2 C C-rate (battery discharge rate, current rate) showed comparable initial charge and discharge characteristics even though the concentration was about 60 times lower than that of LiPF6 electrolyte solution(0.0168 M carbon dot ionic compound : 154 mAh/g, 1 M LiPF6 : 159 mAh/g). Furthermore, the carbon dot ionic compound as an electrolyte is electrochemically stable in the voltage range of 2.8 ∼ 5.0 V. In addition, the carbon dot ionic compound electrolyte was found to have a greater lithium number than the LiPF6 electrolyte(0.0168 M carbon dot ionic compound tLi+ : 0.62, 1 M LiPF6 tLi+: 0.37), which may be due to the structural characteristics of the carbon dots.

목차 (Table of Contents)

• 제 1 장 서론 1
• 1.1 리튬이차전지의 구성 및 전해질의 역할 1
• 1.1.1 리튬이차전지의 구성 및 원리 1
• 1.1.2 리튬이차전지의 전해질 3
• 1.2 탄소양자점의 합성방법 및 전해질로의 응용 5
• 1.2.1 탄소양자점의 합성방법 5
• 1.2.2 탄소양자점의 특징 및 배터리 전해질로의 응용 6
• 제 2 장 실험 7
• 2.1 실험재료 7
• 2.2 탄소양자점 이온화합물 합성 7
• 2.2.1 하향식 방식 탄소양자점 이온화합물(Top-down Mx(carbon dots), M = K 또는 Li) 합성 7
• 2.2.2 상향식 방식 탄소양자점 이온화합물(Bottom-up Mx(carbon dots), M = K 또는 Li) 합성 8
• 2.3 탄소양자점 이온화합물 적정 9
• 2.4 탄소양자점 이온화합물의 물성 분석 10
• 2.5 Potassium ferricyanide(K3Fe(CN)6)를 이용한 탄소양자점 이온화합물의 지지전해질 특성 분석 11
• 2.6 리튬이차전지 셀 제작 및 특성 평가 12
• 2.6.1 셀 제작 과정 12
• 2.6.2 전지 성능 평가 13
• 2.6.3 전기화학적 안정성 평가 14
• 2.6.4 이온전도도(Ionic conductivity, ) 측정 14
• 2.6.5 리튬이동수(Lithium ion transference number, ) 측정 14
• 제 3 장 본론 및 토의 16
• 3.1 탄소양자점 이온화합물 적정 16
• 3.2 탄소양자점 이온화합물의 물성 분석 18
• 3.2.1 TEM(Transmission electron microscopy) image 18
• 3.2.2 UV-vis(Ultraviolet-visible) absorption spectra 20
• 3.2.3 PL(photoluminescence) emission spectra 21
• 3.2.4 XPS(X-ray photoelectron spectroscopy) 22
• 3.2.5 IR(Infrared) spectra 24
• 3.2.6 TGA(Thermogravimetric Analysis) 25
• 3.3 Potassium ferricyanide(K3Fe(CN)6)를 이용한 탄소양자점 이온화합물의 지지전해질 특성 분석 27
• 3.3.1 Cyclic voltammetry 27
• 3.3.2 EIS(electrochemical impedance spectroscopy) 31
• 3.4 리튬이차전지 셀 제작 및 특성 평가 32
• 3.4.1 전지 성능 평가 32
• 3.4.2 전기화학적 안정성 평가 34
• 3.4.3 이온전도도(Ionic conductivity, ) 측정 36
• 3.4.4 리튬이동수(Lithium ion transference number, ) 측정 37
• 제 4 장 결론 40
• 참고문헌 41
• 부 록 55