리튬 이온 이차전지용 나노 구조 TiO2 동질 이상의 저온합성

Abstract

근래의 리튬이온 2차 전지는 폭발적인 수요를 나타내고 있다. 휴대용 디바이스 제품부터 이산화탄소의 배출량을 강력하게 억제할 수 있는 대안인 전기자동차까지 다양한 장치에 에너지 저장 장치로 전 세계적으로 큰 관심과 지원을 받고 있다. 이러한 2차전지에서 전극소재는 전지의 가격 뿐 아니라 전지 성능을 결정짓는 중요한 요소로서 세계는 지금 경제적이고 고 효율의 전극 활물질을 개발하는데 초점을 두고 있다. 현재 상용화 되어 있고 가장 많이 쓰이는 리튬 이온 2차 전지 음극소재로 흑연계열의 그라파이트 ( Graphite ) 가 많이 쓰이고 있다. 매우 저렴한 가격 때문에 활용도가 매우 높은 현실이다. 그러나 흑연 계열의 경우 탄소 고유의 밀도가 매우 낮아서 전지내부에 많은 부피를 차지하고 있는 실정이다. 또한 전기자동차와 같은 고속 충·방전이 필요한 디바이스에 대해서는 적용이 불가능한 구조적인 문제점을 가지고 있다. 이는 고성능 고효율이 필요로 하는 리튬 이온 2차전지 수요를 만족하지 못하므로 기존의 2차 전지 활물질의 성능 개선은 물론 다양한 물질의 탐구와 나노사이즈의 적용을 통하여 전해액과의 반응 면적을 높여 리튬이온과의 반응성을 증가시키는 연구가 실행되어야 한다. 이산화 티타늄 ( TiO2 )를 리튬이온 2차 전지 음극활물질로 활용하여 매우 빠른 충·방전 속도, 저렴한 가격, 친환경적이고 산업화에 중요한 대량 생산까지 가능한 물질을 소개하며, 음극활물질로서 흑연 계열이 가지고 있는 단점을 보완하고자 한다. 이러한 이산화 티타늄은 크게 3가지 동질이상 ( Brookite, Anatase, Rutile ) 을 가지고 있다. 본 연구는 TiCl3를 이용해 100℃ 미만에서 강한 산성 분위기내의 나노사이즈의 이산화 티타늄 ( Rutile )의 합성과 우레아법을 이용한 나노사이즈의 이산화 티타늄의 동질이상 ( Brookite 와 Anatase ) 을 합성하여 이산화 티타늄의 3가지 동질이상 합성 메커니즘과 리튬 이온 배터리 음극 활물질로의 적용을 통하여 고성능 고효율을 필요로 하는 차세대 리튬 이온 2차전지 음극 소재로의 가능성을 보고자 한다. 이러한 다양한 동질이상의 나노 사이즈 이산화 티타늄의 전기화학적 분석을 평가하기 위하여 XRD, SEM, TEM, BET, FT-IR등과 같은 다양한 분석기기 등을 통한 분석을 시행하였다.