As the grown concerns of environmental pollution, climate changes and exhaustion of energy, the developments including not only technologies for harvesting and converting sustainable energy sources, but also effective methods for storing and delivering the energy efficiently upon demand for applications, such as electric vehicles and smart grids have been improved. In that reason, the electrochemical devices have emerged as one of the advanced technologies for utilizing the electrical energies from renewable resources. In addition, battery systems are the indispensible technology in portable electronic devices and electrical vehicles.
Titanium (IV) oxide is one of the promising material for electrochemical applications. It is earth abundant, low cost, eco-friendly, high safety and high chemical stability. $TiO_2$ has also fast lithium ion insertion characteristic without its structural changes which is important in the performance of lithium ion batteries. Although It suffers from low electro-conductivity resulting in low capacitance at high current rates, it was demonstrated this weakness could be improved through nanostructuring $TiO_2$ and additional conducting materials such as graphitic carbon.
In this thesis, three-dimensional macroporous graphene foam and its hybrid composite with titanium oxide nanoparticles were synthesized, so called graphene foam (GF), to improve the electrochemical property such as high rate capability. The high rate capability without critical capacitance loss is attributed to extremely high conductive graphene foam (GF). Three-dimensional pores in macroscale could enhance the accessibility to electrolyte and accelerate the ion diffusion rate. Moreover, freestanding structure could also facilitate the procedures assembling electrochemical cells without additional binders. Due to relatively high surface area, large amount of $TiO_2$ can easily be decorated and controlled. Through this ways, our study indicate that a $TiO_2$ NP-graphene foam ($TiO_2$ NP-GF) exhibit ultrahigh fast charging-discharging rate capability as an anode materials for lithium ion battery.
환경오염과 기후 변화 그리고 에너지 자원 고갈 등의 관한 관심이 높아지게 됨에 따라, 이에 대한 방안으로서 활발히 개발되고 있는 전기자동차 및 스마트 그리드의 응용 분야 등의 발전을 위해, 지속가능한 에너지 자원을 수집하고 변환하는 기술 뿐 아니라, 효율적으로 전달하고 저장하며 장치에 전기를 제공하는 기술들에 대한 필요성이 증가하고 있다. 이러한 이유로, 재생 가능한 에너지원으로부터 나오는 전기를 저장하고 활용하기 위해서 전기화학적 기기들이 차세대 기술로서 주목 받고 있다. 그 중, 배터리 시스템은 휴대용 전자기기와 전기자동차 등에 있어서 반드시 필요한 기술 중 하나로서 그 중요성이 점점 부각되고 있는 추세이다.
전기화학적 응용분야에 대한 관심이 증가하고 활발한 연구들이 진행되어 많은 물질들이 개발 되어 왔다. 그 중 하나로서 티타늄 산화물은 지구상에 많이 존재하고 값이 저렴하며 환경 친화적 물질로서 화학적으로 안정한 물질이다. 또한, 이산화 티타늄은 리튬 이온 배터리의 높은 성능을 위해 필요한 특성인 빠른 리튬 이온 삽입 및 추출 특성을 가지고 있다. 낮은 전기 전도성으로 인하여 빠른 전류 조건에서 전기 용량 특성이 낮지만, 나노 구조체화, 전기전도성이 높은 흑연 구조의 탄소 물질과의 복합체화 등의 방법을 통하여 이러한 단점을 보완할 수 있다는 것이 기존의 선행 연구들을 통하여 증명 되었다.
이러한 에너지 및 환경에 대한 문제 해결 및 차세대 전자 기기 장비들의 핵심 부분인 배터리의 전기화학적 특성을 발전키는 연구의 일환으로서, 본 논문에서는 3차원 형태의 다공성 그래핀과 이산화 티타늄의 복합체를 합성하여 전기화학적 특성을 분석하는 연구를 진행하였다. 특히, 차세대 교통수단으로서 전기자동차는 화석 연료의 사용을 줄이고 이산화탄소 등 온실가스의 배출을 크게 줄일 것으로 기대되는 기술로서, 배터리에 의에 자동차에 성능이 제한되기 때문에 배터리의 발전이 매우 중요하다. 대부분의 금속 산화물은 높은 전기 용량을 나타내지만, 전기 전도성이 부족하여 높은 충·방전 속도에 도달하면 축전용량이 크게 감소하여 배터리 작동이 중단되며, 배터리 수명도 크게 감소하는 현상이 있다. 상기 소개된 삼차원 그래핀과 이산화 티타늄의 복합체를 이용하여 그래핀의 기공들과 넓은 비표면적으로 전해질과의 접근성과 이온의 확산성을 높일 수 있었고, 3차원의 구조체로서 추가적인 접합제 등의 물질 없이 쉽게 전극을 조립할 수 있었다. 또한, 많은 양의 이산화 티타늄 활성 물질의 활용이 용이하였다. 이러한 방법을 통하여 리튬 이온 배터리의 음극 물질로서 매우 빠른 충·방전 특성과 긴 작동 수명을 나타내는 전극 물질을 개발 하기 위하여 본 연구를 수행 하였다.
합성된 삼차원 그래핀 이산화 티타늄 물질의 구조적 특성 분석인 XRD, SEM, TEM, XPS, Raman spectroscopy 등의 분석기법 들을 이용하여 분석하였다. XRD와 XPS 등을 통하여 삼차원 다공성 그래핀과 이산화 티타늄의 복합체가 설계상의 높은 결정성과 원하는 결정 구조 및 조성으로 합성됨을 확인 할 수 있었으며, 마찬가지로 SEM과 TEM 등을 통하여 구조체의 삼차원 다공성 형태 및 anatase 상의 이산화 티타늄과 높은 질의 결정 구조를 갖는 그래핀 복합체가 성공적으로 제조됨 을 확인 하였다. 또한, Raman spectroscopy 분석을 통하여 그래핀이 기존의 화학적인 방법으로 합성된 그래핀에 비하여 결함이 매우 적고 결정성이 높으며 매우 얇은 층상 구조를 갖고 있음을 확인 하였다. 위와 같은 구조분석을 바탕으로 전기 화학적 특성을 분석한 결과, 30000 mA $g^(-1)$ (90C) 의 높은 충·방전 속도에서도 전기 용량 감소가 적고 낮은 충·방전 속도 대비 60% 정도의 140 mAh $g^(-1)$ 의 용량을 가지고 작동 됨 을 확인 하였다. 수명 특성 또한 10000 사이클의 안정성을 나타내는 것을 확인 하였다.
상기 결과들을 바탕으로, 본 논문에서 연구된 삼차원 다공성 그래핀과 이산화 티타늄의 복합체가 전해질 접근성 및 확산 속도를 높여 줄 수 있으며 그래핀의 높은 전도성이 이산화 티타늄의 낮은 전도성을 보완하여 전기 자동차를 빠른 속력과 장거리로 구동하기 위해 필요한 배터리의 핵심 특성인 충·방전 속도와 수명 특성을 향상 시킬 수 있다는 것을 증명하였다. 따라서 이러한 방법이 향후 배터리 훌륭한 성능의 전극을 디자인하고 활용하는데 있어서 실현가능성이 높고 유용한 방법임을 제시할 수 있었다.