V2O5/Polypyrrole 복합체 필름의 제조 및 리튬 이차전지 양극에의 응용

Abstract

리튬 전지의 용량을 높일 수 있도록, 양극 물질로서 무기물질을 나노형태로 제조하여 리튬 이온의 이동거리를 짧게 하고 표면적을 매우 넓게 하며, 전도성 및 가공성을 증진시키기 위하여 전도성고분자와 무기/유기 복합체 전극물질을 개발하였다. 본 연구에서는 나노형태의 바나듐산화물(V2O5)을 수열법으로 제조하고, polypyrrole(PPy) 전도성고분자의 전기화학적으로 제조시 용액에 분산시켜서 복합체 필름을 제조하였다. V2O5는 층상구조이며 산화수가 하나 이상 변화될 수 있어서, 리튬 이온을 한 개 이상 (큰 용량) 가역적으로 삽입시킬 수 있는 우수한 전극물질중의 하나이다. polypyrrole(PPy)은 우수한 전도성고분자로서 전극물질의 전도도 및 기계적 특성을 증진시킬 수 있다. 고분자소재의 친무기화 및 무기증진제의 친 유기화에 의한 친화력 향상으로 분자 차원의 물성의 상승효과를 기대한다. V2O5/PPy 복합체필름을 합성하기 위하여 삼전극계 시스템으로 0.2 M pyrrole 단량체를 포함하는 0.1 M LiClO4 전해용액 50 ml에 V2O5 0.7 g을 잘 분산시켜준 후, 전극에 양극 전위에 해당하는 +1.75 V의 산화전압을 걸어줌으로써 한 단계의 간단한 전기화학적인 방법(정전위적 방법)으로 고분자화 시켜서 제조하였다. 작업전극으로는 stainless steel(SS)거즈(AISI 304, 150 mesh)를 사용하였고, 보조전극으로는 백금거즈를 사용하였으며, 기준전극으로는 Ag/AgCl을 사용하였다. 또한, 전해액 내에서도 V2O5가 pyrrole의 고분자화 반응에 촉매로 작용하므로, 전해액 내에서 고분자화가 일어나서 80%의 V2O5를 포함하는 파우더 형태의 V2O5/PPy복합체를 얻을 수 있다. 한 단계의 간단한 방법으로 제조한 V2O5/PPy복합체 필름과 그 전해질 용액으로부터 합성된 파우더의 결정구조 및 성분비를 X-ray 회절법(XRD), FTIR 스펙트럼, 열 분석법 (TGA)으로 확인하였으며, 전기화학적인 특성은 cyclic voltammetry (CV)와 리튬전지(CR2032 type) 제조평가로 연구하였다. 전지평가는 다중채널 전지평가 모드에서 정 전류적인 방법으로 1.5-4.0 V의 작동구간에서 진행하였으며, 전기화학적으로 제조된 nano-V2O5/PPy복합체 필름이 보통의 V2O5와 V2O5/PPy복합체 파우더보다 더 균일하고 쉽게 전극을 제조할 수 있을 뿐만 아니라, 가역적인 Li+의 삽입ㆍ방출을 통해 향상된 cyclability 특성을 나타내었다.