Lithium and sodium ion batteries have used as energy storage systems for various applications thanks to high energy densities and no memory effect. To improve battery performances, metal compounds having numerous nanoscale structures are considered promising anode materials thanks to their theoretical capacities. Nanostructures composed with nanoparticles provide excellent properties such as short diffusion distances and large reaction areas for anode materials for rechargeable batteries. In addition, nanostructures can efficiently control the problem of volume change occurring in charge and discharge processes, resulting in excellent cycle performances. This dissertation introduces the design and synthesis of various metal compound-based nanostructures prepared by spray pyrolysis processes and describes their enhanced electrochemical properties. First, metal sulfide microspheres with a yolk-shell structure were synthesized and the sodium ion storage capacities of the synthesized material was evaluated. The yolk-shell structured metal sulfide microspheres having a unique structure of material@void space@material showed high reversible capacities and stable cycle performances due to short diffusion distances and internal void spaces for volume expansion of electrode materials. Second, the carbon nanotube(CNT)-metal oxide composite powder was synthesized in a few seconds by spray pyrolysis using an aqueous solution containing polystyrene, CNT and metal salts. Inside the reactor, polystyrene formed macropores and metal salts changed to metal oxides through thermal decomposition. CNTs were uniformly distributed in the generated metal oxides, and the CNT-metal oxide composite synthesized as an anode material for lithium-ion batteries exhibited excellent electrochemical characteristics thanks to excellent conductivity of CNT and macropores in the composites. Third, lithium ion conductive glass powder composed of Li, Ge, B, and O components was rapidly synthesized in the form of a spherical powder having uniform shape and composition inside the reactor. The prepared lithium ion conductive glass was capable of effectively storing lithium ions. Finally, a metal phosphide/graphene (=reduced graphene oxide, rGO) composite powder was prepared by a spray pyrolysis and subsequent phosphorization proecesses. In order to solve the problem of volatility of phosphorus, vacuum-sealed ampoule was used. The metal nanocrystals-graphene composite powder prepared by a spray process was reacted at high temperature in an ampoule vial to form a uniform metal phosphide-graphene composite. The nanostructured metal compounds introduced in this dissertation have shown excellent electrochemical properties such as fast charge and discharge characteristics and stable cycle life. In addition, the direction of development of new materials using spray pyrolysis process is suggested and prepared functional materials can be applied to various fields including lithium and sodium secondary batteries.
리튬 및 소듐 이차전지는 높은 에너지 밀도와 메모리 효과의 부재로 대표적인 에너지 저장 시스템으로 다양한 분야에 사용되어 왔다. 배터리 특성 향상을 위해, 다양한 나노 구조를 가지는 금속 화합물은 그들이 가지는 높은 이론 용량으로 인해 유망한 음극 물질로 고려된다. 수 나노 사이즈로 구성되어 있는 나노 구조체는 이차 전지용 음극 물질에서 요구되는 짧은 확산 거리와 큰 반응 면적과 같은 우수한 특성을 제공한다. 또한, 나노 구조체는 충방전 과정에서 발생하는 부피 변화의 문제를 효율적으로 제어하여 우수한 사이클 특성을 확보 할 수 있다. 본 연구에서는 분무 열분해 공정을 통한 다양한 금속 화합물 기반의 나노 소재 구조 디자인 및 합성을 다루고 그들의 향상된 전기화학적 특성을 설명하였다. 첫번째로는 요크쉘 구조의 황화물을 합성하였으며 합성된 소재의 소듐 이온 저장능력을 평가하였다. 소재@빈공간@소재라는 독특한 구조를 가지는 요크쉘 구조의 소재는 높은 가역 용량을 보여주었으며, 전극의 팽창을 완화시킬 수 있는 내부의 빈 공간으로 인해 안정된 사이클 특성을 보여주었다. CNT-금속 산화물 구조체를 폴리스티렌, CNT, 금속 염이 포함되어 있는 수용액을 이용하여 분무 열분해 공정으로 수 초 내에 합성이 가능하였다. 반응기 내부에서 폴리스티렌은 매크로 포어를 형성하였으며 금속염은 금속산화물로 열분해가 발생하였다. 생성된 금속 산화물 내부에는 매우 균일하게 CNT가 분포하였으며, 리튬 이차전지 음극 소재로서 합성된 복합체는 CNT의 우수한 전도성 및 매크로 포어를 통해 금속 산화물의 우수한 전기화학 특성을 보여주었다. 세번째로는 Li, Ge, B, O 성분으로 이루어진 리튬 이온 전도성 글래스 합성을 시도하여 형태와 조성이 균일한 구형 분말을 합성하였다. 합성된 리튬 이온 전도성 글래스는 리튬 이온을 효과적으로 저장 할 수 있었다. 마지막으로 많은 인을 포함하는 금속 인화물-그래핀 복합체 분말을 합성하였다. 인(P)의 휘발성의 문제를 해결하기 위해, 진공 밀봉이 가능한 유리병을 이용하였다. 분무 공정을 통해 합성된 금속-그래핀 복합체를 앰폴 바이알 안에서 고온 반응시켜 균일한 금속 인화물-그래핀 복합체를 형성할 수 있었다. 본 연구에서는 나노 구조화된 금속 화합물이 빠른 충방전 특성과 안정된 사이클 수명과 같은 우수한 전기화학 특성을 보여주었다. 또한, 분무 열분해 공정을 활용하여 새로운 소재들을 개발하는 방향을 제시하며, 합성되는 기능성 소재들은 리튬 및 소듐 이차 전지를 포함하는 다양한 분야에 적용 될 수 있다.
