리튬이차전지 양극용 V₂O₅와 전도성고분자 PEDOT 복합 필름의 전기화학적인 제조 및 특성연구

Abstract

전자제품 및 차세대 전기자동차용 리튬이차전지의 친환경적이며 용량이 크고, 수명이 길고, 효율이 높은 전지소재 개발이 필요하다. 리튬이차전지는 양극, 음극, 전해질 등으로 구성되는데 그 중 이차전지의 양극 활물질로 결정구조가 층상이거나 터널형상의 공간을 포함함으로써, 리튬이온이 출입할 수 있는 산화물에 대한 연구가 활발히 진행 중이다. 고용량, 고효율 양극재 연구의 일환으로 본 연구에서는 나노형태의 무기산화물과 전도성고분자의 복합전극물질을 개발하였다. 오산화 바나듐 (V₂O₅)은 층상구조이며, 1개이상의 리튬이온이 가역적으로 결정내에 탈•삽입되어 높은 이론용량을 나타내는 양극소재이다. 또한 전극물질의 이온전도도 및 전자전도도를 크게 하고 전극의 유연성을 확보하기 위하여, 나노형태의 V₂O₅와 함께 전도성 고분자인 Poly (3,4-ethylenedioxythiophene) (PEDOT) 과의 복합물질을 전기화학적으로 합성하였다. 고분자소재의 친무기화 및 무기화합물의 친유기화에 의한 계면 안정성 향상으로 분자 차원의 물성의 상승효과를 기대한다. nanobeam-V₂O₅/PEDOT 복합체필름을 합성하기 위하여 삼전극계 전기화학시스템을 사용하였으며, 0.02 M의 ethylenedioxythiophene (EDOT) 단량체를 포함하는 0.1 M LiClO4 전해용액 50 ml에 0.1819 g nanobeam-V₂O₅를 잘 분산시켜준 후, stainless steel 거즈 전극에 산화전류를 15 mA 걸어주는 한 단계의 간단한 정전류적 방법 (galvanostatic method)을 적용하였다. 작업전극과 보조전극 모두 stainless steel거즈를 사용하였고, Ag wire를 유사기준전극으로 사용하였다. Nanobeam-V₂O₅가 분산된 EDOT 단량체 용액으로부터, nanobeam-V₂O₅/PEDOT 복합체 필름을 전기화학적으로 제조할 때, V₂O₅ 표면에 PEDOT이 균일하게 입혀지도록, 계면활성제인 para-toluensulfonic acid (p-TSA)를 PEDOT의 도펀트로 첨가하였다. p-TSA가 첨가된 PEDOT (1:2)과 nanobeam-V₂O₅의 복합체 필름은 표면에 보다 균일하게 도포시킬 수 있었다. 한 단계의 간단한 방법으로 제조한 nanobeam-V₂O₅/PEDOT 복합체 필름과 그 전해질 용액으로부터 얻어진 분말의 결정구조 및 성분비를 X-ray 회절법 (XRD), FT-IR 스펙트럼, 열분석법 (TGA)으로 확인하였으며, 전기화학적인 특성을 조사하기 위하여 cyclic voltammetry (CV)와 리튬 전지(CR2032)를 제작하여 충·방전 테스트 (정전류법 1.5 V- 4.0 V 작동구간)를 하였다. 또한 제작한 리튬전지의 임피던스를 분석하여 상변이에 따른 리튬이온의 확산계수를 계산하였다. 전기화학적으로 제조한 nanobeam-V₂O₅/PEDOT (p-TSA doped)복합체 필름이 높은 용량 (255 mAh/g)과 안정한 충·방전특성 (250 mAh/g 50 cycle 후) 등 보다 향상된 전지 특성을 나타내었다.