나노구조 망간 황화물의 합성 및 리튬이온 이차전지 전극에의 적용

Abstract

리튬이온 이차전지는 다른 이차전지들에 비하여 에너지 밀도가 높으며 자연적으로 방전이 일어나는 정도가 적은 장점으로 인해 소형화 전자기기뿐 아니라 중대형 시장에서도 크게 각광받고 있고 우리나라에서도 많은 연구 개발과 생산이 활발하게 진행되고 있다. 리튬이온 이차전지를 구성하는 요소 중에서 음극재로 상용되어 쓰이는 흑연은 이론용량이 낮아 더 높은 이론용량을 갖는 물질을 음극재로 사용하고자 하는 연구가 활발히 진행되고 있다. 그 중에서도 컨버젼 반응의 물질은 이론용량이 높고 부피팽창을 완화시켜서 최근 많은 연구가 진행 중이다. 그중에서도 금속 황화물은 반금속성 전기적 특성을 갖고 있어 전자재료에 적용되어 널리 연구되고 있다. 또한 금속 황화물은 기존에 사용되는 물질에 비해 우수한 이론용량을 갖고 있고 경제적인 면에서도 우수하여 리튬이온 이차전지의 양극 재료로 주목 받고 있으며, 최근에는 금속 황화물이 리튬이온 이차전지의 음극재료로도 연구되고 있는 추세이다. 그 중에서도 망간 황화물은 최대 두 개의 리튬 원자와 반응하여 616 mAhg-1의 이론용량을 보이는데 이는 현재 리튬이온 배터리의 음극재료로 상용화된 흑연의 이론용량 (372mAhg-1) 보다 1.5배 이상 높은 수치이다. 본 연구에서는 염화망간4수화물 (MnCl4•4H2O) 과 L-cysteine을 출발물질로, 폴리비닐피롤리돈을 계면활성제로 사용하여 증류수 기반의 용매에서 수열합성법으로 망간 황화물 (MnS) 의 세 가지 동질이상구조 중 γ상의 망간 황화물을 나노로드로 구성된 코어-쉘 구조로 합성하였고 리튬이온 이차전지의 전극물질로 처음 보고하였다. 전기전도도를 높이고자 망간 황화물이 다중벽 탄소나노튜브와 복합체 (MnS@CNT) 를 이루도록 합성하였다. 이렇게 합성된 분말은 X선 회절을 통해 결정구조를 분석하였다. 주사전자현미경과 투과전자현미경의 이미지를 이용하여 망간 황화물과 탄소나노튜브 망간 황화물 복합체의 형상을 분석하고 열중량 분석을 통해 탄소 나노튜브와 망간 황화물의 복합체 내의 탄소나노튜브의 무게분율을 예측하였다. 합성된 결과물의 전기화학적 특성을 알아보았다.