V2O5와 Polyaniline 복합 필름의 전기화학적제조 및 리튬 이차전지용 양극 물질로서의특성 연구

Abstract

다양한 휴대용기기에 널리 응용되고 있는 리튬 이차전지는 높은 출력과 긴수명, 초소형화, 안전성 확보, 환경친화성 요소 등이 요구가 된다. 리튬 이차전지의 양극물질로서 vanadium pentoxide (V2O5)는 295 mAhg-1의 매우 높은 이론용량 (LixV2O5; 0≤x≤2)을 가지며 리튬 이온의 삽입/방출시 (intercalation/ deintercalation) 가역적인 구조변화를 나타내므로 충∙방전에 대해 안정성을 보여준다. 또한 나노형태의 V2O5는 비표면적이 상당히 크며, 리튬이온의 이동거리를 최소화시켜서 우수한 전극 특성을 나타낼 수 있다. V2O5 나노물질을 제조하기 위한 전기화학적 증착법은 sol-gel법이나 수열합성법 등과 비교하여 간단하면서도, 적용되는 전압이나 전류, 용액의 온도와 농도 등을 조절함으로써 V2O5의 형태 및 표면을 제어할 수 있다. 나노구조의 V2O5와 전도성 고분자 polyaniline (PANi)와의 복합체 필름을 형성하여 전극물질로 활용하면, 전기적인 전도도 및 기계적인 유연성을 증가시키고, 리튬이온의 이동이 용이한 우수한 전극재료로서의 특성을 나타낼 수 있다. 또한 필름형태의 V2O5/PANi 복합체 전극물질은 리튬 이차전지 제조시 복잡한 여러 과정을 단축시킬 수 있고, 반복적인 충∙방전 과정에서 전기화학적으로 높은 용량(capacity) 및 안정성을 나타낼 수 있다. 본 실험에서는 리튬 이차전지의 양극물질로서 V2O5/PANi 복합체 필름을 3전극계 전기화학 셀을 이용하여 두 단계의 전기화학적 방법으로 제조하였다. 첫 단계에서 aniline 단량체를 포함하는 산성 수용액에서 전기화학적인 고분자화 과정 (-0.5 V ~ +1.0 V 범위를 주사하는 potentiodynamic법)에 의해 양질의 polyaniline 필름을 제조하고, 두번째 단계로 V4+를 포함하는 VOSO4 용액으로부터 V2O5를 polyaniline 필름에 산화증착 [정전류법(galvanostatic method) 또는 정전압법(potentiostatic method)] 시켜서 균일한 V2O5/PANi 복합체 필름을 제조할 수 있었다. 이때 V2O5/PANi 복합체 필름에 산화 증착되는 V2O5의 양을 증가시키기 위하여 VOSO4용액의 온도를 실온에서 60 oC까지 올렸다. V2O5가 산화 증착되는 과정 동안 전극표면과 전해질의 계면(interface) 특성을 전기화학적 임피던스를 측정(in-situ)하여 연구하였다. FESEM, FTIR. 및 열분석(TGA)을 통하여 표면의 morphology, 구조분석 및 성분비율을 결정하였다. 높은 온도의 VOSO4 용액에서 많은 양의 V2O5가 증착되는 반면, polyaniline의 특성이 다소 변하였음을 확인하였다. 1.0 M의 LiClO4전해질의 propylene carbonate (PC) 용액에서 cyclic voltammetry (CV)를 실시하여, CV의 피크전류로부터 Li+의 삽입/방출의 확산계수를 계산한 결과 V2O5/PANi 복합체 필름전극으로의 Li+의 확산계수는 V2O5 전극으로의 확산계수보다 크게 계산되었다. V2O5/PANi 복합체 필름 내에 V2O5의 함량을 계속 증가시켜서 (높은 온도용액) 만든 전극의 경우, Li+ 이온의 삽입/방출에 해당하는 CV의 피크 전류가 증가하였다가 감소하는 현상이 관찰되었다. 또한, V2O5/PANi 복합체 필름을 양극으로 하여 리튬 이차전지를 간편하게 제작하고 충∙방전 특성 및 V2O5 활성물질의 함량에 따른 용량을 측정하였다. V2O5의 함량이 아주 많은 V2O5/PANi 복합체 필름의 전지용량이 기대한 만큼 높게 나타나지 않았다. 이는 V2O5의 낮은 결정성으로 인하여 Li+이온의 삽입/방출이 제한된 것으로 추측한다. V2O5/PANi 복합체 필름 전극으로 제조한 리튬전지는 전지용량이 감소하지 않고 일정하며 아주 우수한 충∙방전 특성을 나타냈다.