Along with the expansion of the proportion of renewable energy due to environmental pollution, the demand for eco-friendly electric vehicles and energy storage system to compensate for the shortcomings of renewable energy continues to grow. In addition, the growing market for portable electronic devices such as smartphones and tablets has also significantly increased the importance of secondary batteries, a key device. In order to meet the growing demand for secondary batteries and to make more useful use of limited resources, it is necessary to increase the energy density and life span of secondary batteries. Graphite, commonly used anode material, is charged with intercalation/deintercalation reaction with lithium ions between layers and has a relatively low theoretical capacity of about 372 mAhg$^{-1}$, while substances such as metal oxides, sulfides, phosphides, silicon, and tin have a very high electrical capacity because they are charged through alloying reaction or conversion reaction that directly react with lithium ions. Among them, cobalt oxide (Co$_3$O$_4$) is a highly promising candidate for anode material not only chemically stable but also with a high theoretical capacity of 890 mAhg$^{-1}$.
The Co$_3$O$_4$ presented in this study is the anode material with excellent performance that has both the advantages of nanoscale particles with short diffusion length and good electrical conductivity and micro-size particles with high tap-density. However, it has been confirmed that the electrochemical performance of this material varies depending on the grain size of the particles, such as rate capability and cycle stability. In this study, electrochemical performance of electrode materials with different grain sizes is measured, and various analyses are used to determine the cause of this phenomenon.
환경오염으로 인해 신재생 에너지, 에너지 저장 시스템, 전기자동차에 대한 수요가 폭발적으로 증가하고 있다. 또한 스마트폰을 비롯한 휴대용 전자기기 시장 역시 크게 성장함에 따라 핵심 장치인 이차 전지에 대한 중요성 역시 크게 늘어났다. 증가하고 있는 이차전지에 대한 수요를 만족시키고 한정된 자원을 보다 유용하게 활용하기 위해서는 지금보다 이차 전지의 에너지 밀도와 수명을 늘릴 필요가 있다. 현재 일반적으로 쓰이는 음극 재인 흑연은 층 사이로 리튬 이온이 들어가는 삽입 반응으로 충방전이 일어나며 이론 용량이 약 372 mAh/g으로 비교적 낮은 반면, 금속 산화물, 황화물, 인화물, 실리콘, 주석 같은 물질은 리튬 이온과 직접적으로 반응하는 합금 반응 또는 전환 반응을 거쳐서 충방전이 이루어지기 때문에 매우 높은 전기용량을 가지게 된다. 그 중에서 코발트 산화물은 화학적으로 안정적일 뿐만 아니라 890 mAh/g에 이르는 높은 이론 용량을 가지고 있는 매우 유망한 음극재 후보이다.
본 연구에서 제시하는 코발트 산화물 입자는 나노 입자의 확산거리가 짧고 전기 전도성이 좋은 특성과 마이크로 입자의 높은 가공밀도를 갖는 특성을 모두 가지고 있는 우수한 소재이다. 그런데 이 물질은 입자를 구성하는 결정립의 크기에 따라 속도 특성, 사이클 안정성 같은 전기화학적 성능이 달라지는 현상이 나타나는 것이 확인되었다. 본 연구에서는 여러 결정립 크기를 가진 전극재들의 전기화학적 성능을 측정하고 여러 분석 방법을 동원하여 이러한 현상이 나타나는 원인을 규명하고자 한다.
