As environmental issues such as abnormal climate and sea level rise due to global warming gradually emerge, environmentally friendly energy sources that can replace the existing fossil fuels are getting a lot of attention. Among them, electrochemical energy systems are attracting attention as the most promising alternatives, and lithium-ion batteries are being commercialized in various portable electrical devices including smartphones and laptops based on their high energy density. However, in order to utilize lithium-ion batteries in the advanced electronic devices such as electric vehicles, it is necessary to develop a battery having a high energy density.
This dissertation concentrated on the study of utilizing metal oxides having a high theoretical capacity as an anode materials for lithium-ion battery to replace graphite, which is currently commercialized in lithium-ion battery as an anode material. In particular, a method of forming a composite with carbon material was developed to compensate the low electrical conductivity and structural instability of metal oxides. To increase the possibility of commercialization, the synthesis process of carbon-metal oxide composite was conducted under moderate experimental conditions. As a result, a composite having a structure in which a metal oxide and a carbon material can interact efficiently with each other was successfully synthesized, and we confirmed electrochemical operation of the composite as an anode material of lithium-ion battery. Higher energy storage capacity than graphite was achieved, and the improved electrochemical performance when a composite was formed with carbon was investigated.
지구온난화에 따른 이상 기후와 해수면 상승 등의 환경 문제가 점차 대두됨에 따라 기존의 화석 연료를 대체할 환경 친화적인 에너지원을 향한 관심이 크게 증가하고 있다. 그 중 전기화학적 에너지 시스템이 가장 촉망받는 대체재로 주목받고 있으며, 리튬 이온 배터리는 높은 에너지 밀도를 기반으로 스마트폰, 노트북을 포함한 여러 휴대용 장치에 상용화되고 있다. 그러나, 빠르게 발전하는 기술력과 더불어 전기자동차와 같은 고용량 에너지가 필요한 전자 기기에 활용되기 위해서는 보다 많은 에너지를 저장할 수 있는 배터리의 개발이 필요한 상황이다.
본 학위논문에서는 실제 상용화되고 있는 리튬 이온 배터리의 음극 소재인 흑연의 한정적인 에너지 저장 용량을 극복하기 위하여, 높은 이론 용량을 가지는 금속 산화물을 전극 소재로 활용하는 연구를 진행하였다. 특히 금속 산화물이 가지고 있는 문제점인 낮은 전기전도성과 구조적 불안정성을 보완하기 위한 방안으로 탄소 소재와의 복합체를 형성하는 방법을 개발하였으며, 상용화의 가능성을 보다 높이기 위해 탄소와 금속 산화물의 복합체 합성 과정을 단순화하여 온건한 반응 조건 하에 진행하였다. 그 결과, 금속 산화물과 탄소 소재가 서로 원활하게 상호작용할 수 있는 구조를 갖는 복합체 합성에 성공하였으며, 리튬 이온 배터리의 음극 소재로 적용하여 전기화학적 구동을 확인하였다. 기존의 음극 소재인 흑연의 이론 용량보다 높은 에너지 저장 용량을 확보하였으며, 금속 산화물을 단독을 사용하였을 때보다 탄소와의 복합체를 형성하였을 때의 향상된 전기화학적 성능에 대해 고찰하였다.
