Lithium rechargeable batteries are being currently highlighted as major energy storage systems due to their high energy and power density. However, it needs to find new electrode materials of lithium rechargeable batteries with excellent electrochemical properties, such as high capacity, good cyclability, and power capability for new applications to electric vehicles and large scale energy storage devices. To improve electrochemical properties of various electrode materials of lithium rechargeable batteries, graphene was selected because of its exceptionally excellent properties, such as high surface area, excellent electronic conductivity, and superior mechanical flexibility.
In this study, various graphene-based hybrid materials were studied, such as $Co_3O_4$/graphene, $Mn_3O_4$/graphene, $SnO_2$/graphene, $FePO_4$/graphene, and $LiFePO_4$/graphene hybrid materials. These hybrid materials were fabricated from a simple and robust in-situ process.
Chapter 2 describes the fabrication procedures and characterization results of the $Co_3O_4$/graphene, $Mn_3O_4$/graphene, and $SnO_2$/graphene hybrid materials. These hybrid materials were tested as anode materials for lithium rechargeable batteries. $Co_3O_4$, $Mn_3O_4$, and $SnO_2$ can exhibit high capacity, as the representative conversion and/or alloying reaction compounds, because these simple metal oxides can store more than single lithium ion through conversion and/or alloying reaction. However, conversion and/or alloying reactions cause a huge volume change during electrochemical reactions. Furthermore, insulating Li2O formed in the electrochemical reactions can result in low electronic conductivity; therefore, poor electrochemical performance. By incorporating graphene with high surface area, excellent elec-tronic conductivity, and superior mechanical flexibility, the problems resulting from large volume change during electrochemical reactions and poor electronic conductivity can be im-proved.
In chapter 3, an easy and simple synthetic route of $FePO_4$/graphene and $LiFePO_4$/graphene hybrid cathode materials was described. $FePO_4$ and $LiFePO_4$ cathode materials have been extensively studied due to their high stability and safety as well as low production cost. However, their poor electronic conductivity is important drawback for applications to lithium rechargeable batteries. In order to improve electrochemical activity and property, graphene with excellent electronic conductivity was used. Because graphene with superior electronic conductivity can make a percolating network throughout the electrode, the poor electronic conductivity of $FePO_4$ and $LiFePO_4$ can be enhanced; therefore, electrochemical activity and performance could be improved.
The graphene-based hybrid electrodes demonstrated that the electrochemical activity and performance of electrode materials can be enhanced by incorporating graphene in electrode materials. Moreover, the simple and robust synthetic route suggested here for graphene-based hybrid materials can be applied to various electronic and electrochemical fields.
에너지 문제가 부각되면서, 리튬 이차전지가 새로운 에너지 저장 매체로 떠오르고 있다. 현재, 핸드폰, 캠코더, 그리고 노트북과 같은 소형 전자기기에 리튬 이차전지가 널리 사용되고 있다. 하지만, 전기 자동차와 같은 대형 전자기기에 이러한 리튬 이차전지를 적용하기 위해서는 에너지 밀도, 수명 특성, 그리고 고속 충방전 특성과 같은 전기화학적 특성을 비약적으로 개선해야 한다.
현재, 상용화된 리튬 이차전지는 주로 음극으로 그라파이트(Graphite) 를 그리고 양극으로 $LiCoO_2$ 가 사용되고 있다. 음극에 사용되는 그라파이트의 경우 이론용량이 372 mAh g-1로 낮은 용량을 보이기 때문에, 리튬과 전환반응 (Conversion reaction) 이나 합금반응 (Alloying reaction) 을 통하여 그라파이트의 이론용량에 비해 비약적으로 높은 이론 용량을 보이는 물질들이 주목 받고 있다.
하지만, 이러한 물질들의 경우, 전기화학 반응 시 매우 큰 부피변화를 보이며 이러한 특성이 배터리의 수명 특성에 악영향을 미치게 된다. 또한, 이러한 반응을 하는 물질의 경우 반응 속도가 매우 느리다는 단점도 보이고 있다. 이러한 문제점을 개선하기 위해서, 본 연구에서는 전기전도도가 매우 높고, 표면적이 넓으며, 플렉시블한 그래핀 (Graphene)을 활용하였다. 그래핀과 전환반응 이나 합금반응 물질의 하이브리드 물질을 개발 함으로써, 물질의 전기화학적 특성을 비약적으로 높일 수 있었다. 하이브리드 물질에서, 플렉시블한 그래핀이 배터리 충방전시 나타나는 전환반응 물질이나 합금반응 물질의 큰 부피변화를 완화할 수 있으며, 그래핀이 물질의 전기전도도를 비약적으로 증가 시켜 줌으로써 느린 반응 속도나 낮은 전기전도도에서 발생하는 문제를 개선 할 수 있었다.
상용전지에 주로 사용되는 $LiCoO_2$ 양극 물질의 경우, 고전압이나 고온에서 산소를 방출하여, 폭발을 유발하는 등 안전성에 문제가 있다고 알려져 있다. 이러한 이유로, 최근 $LiFePO_4$와 같은 올리빈 타입의 물질들이 주목 받고 있다. $LiFePO_4$의 경우, 강한 P-O 결합으로 인해서 고전압이나 고온에서도 안전하게 작동 할 수 있다는 장점이 있다. 하지만, 낮은 전기전도도로 인해서, 전기화학 특성이 좋지 않다는 단점이 있다.
본 연구에서 $FePO_4$나 $LiFePO_4$의 낮은 전기전도도를 개선하기 위해서 전기전도도가 매우 우수한 그래핀을 활용하였다. 넓은 표면적과 우수한 전기전도도를 가진 그래핀이 전극 전체에 걸쳐 틀을 형성하여 전도체 역할을 함으로써, $FePO_4$나 $LiFePO_4$의 낮은 전기전도도 문제를 해결 할 수 있었다. 이렇게 만들어진 그래핀 기반 양극의 전기화학적 특성 또한 비약적으로 개선되었다.
본 연구에서 제시한 그래핀 기반 하이브리드 물질 합성 방법은 다양한 나노물질 합성, 전기, 전자, 전기화학 분야에 널리 사용될 수 있을 것이다.
