소듐 이차 전지용 음극 활물질 MnMoO4/rGO@g-C3N4 composite 전극의 제조 및 특성에 관한 연구 = Enhanced electrochemical performance of MnMoO4/rGO@g-C3N4 composite anode for Sodium-ion Batteries

국문 초록 (Abstract)

최근 환경에 대한 관심이 증가하면서 지구온난화 문제, 매장량의 한계를 보이는 화석연료의 사용을 줄이기 위해 지속 가능한 에너지 자원의 개발이 이루어지고 있으며, 리튬 이차 전지, 소듐 이차 전지와 같은 재사용 가능한 에너지 저장 시스템이 많이 연구되고 있다. 그중 소듐 이차 전지는 리튬 이차 전지와 유사한 메커니즘을 가지고 있고 소듐 자원이 해수에 녹아 있어 어느 곳에서나 생산할 수 있다는 장점이 있다. 또한 리튬 대비 500배 이상의 자원이 존재하기 때문에 가격 경쟁력이 뛰어나다.
현재 주로 사용되고 있는 탄소 기반 음극 소재는 높은 안전성과 긴 수명을 가지는 장점이 있지만 낮은 에너지 밀도로 인해 적용에 한계가 있다. 이에 에너지 밀도가 높고 장기간 사용에도 안정적인 새로운 음극재의 발굴이 요구되었다. 이중 conversion type의 음극은 탄소 음극 대비 고용량의 이유로 활발히 연구되고 있다. 그러나 conversion type 소재는 전기전도도가 낮고 충방전이 진행됨에 따라 부피의 팽창과 수축을 반복하며 수명 성능이 좋지 않다는 문제점이 있다.
본 연구에서는 망간 몰리브덴 산화물에 환원된 산화 그래핀(rGO)과 질화탄소(g-C3N4)를 첨가하여 수열 합성법으로 합성한 후 음극 소재로서의 성능을 평가하였다. 두 가지 요소(환원된 산화 그래핀, 질화탄소)는 망간 몰리브덴 산화물의 낮은 전도성을 보완해주며 충방전이 반복되며 발생하는 부피 변화에 따른 성능 저하를 완화해준다. 결과적으로, 합성된 MnMoO4/rGO@g-C3N4 전극은 향상된 가역 용량 (첫번째 사이클에서 470.8 mAh g-1)과 우수한 수명 성능 (300번째 사이클에서 231.1 mAh g-1)을 나타냄을 확인할 수 있었다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Recently, as interest in the environment has increased, sustainable energy resources have been developed to reduce the use of fossil fuels, which have global warming problems and reserves limitations, and reusable energy storage systems such as lithium-ion batteries and sodium-ion batteries have been researched. Among them, sodium-ion batteries have a mechanism similar to lithium-ion batteries, and sodium resources are dissolved in seawater, which can be harvested anywhere. In addition, it has excellent price competitiveness owing to its more than 500 times abundance than lithium.
Currently, carbon-based anode materials that are mainly used have the advantages of higher safety and long life, but their application is very limited because of their low energy density. Accordingly, it is required to discover new anode materials with higher energy density and stable performance for long-term use. alternatively, conversion type anodes are being actively studied for their high capacity compared to carbon anodes. However, the conversion type material has low electrical conductivity problem, and the volume expands and contracts as charging and discharging proceeds with poor cycle life performance.
In this study, a composite of reduced graphene oxide (rGO), carbon nitride (g-C3N4), and manganese molybdenum oxide (MnMoO4) are synthesized by hydrothermal synthesis, and then its performance as an anode material was evaluated. The two factors (reduced graphene oxide and carbon nitride) complement the low conductivity of manganese molybdenum oxide and mitigate the performance degradation due to the volume change caused by repeated charging and discharging. As a result, it was found that the synthesized MnMoO4/rGO@g-C3N4 electrode exhibited improved reversible capacity (470.8 mAh g-1) in the first cycle and excellent life performance (231.1 mAh g-1) in the 300th cycle.

목차 (Table of Contents)

• 1. 서론 １
• 2. 이론 ４
• 가. 전지의 개념 ４
• 나. 리튬 이차 전지 ５
• 1) 리튬 이차 전지의 개요 및 구성요소 ５
• 가) 양극 활물질 ７
• 나) 음극 활물질 ８
• 다) 전해질 １０
• 라) 분리막 １２
• 2) 리튬 이차 전지의 작동 원리 １３
• 다. 소듐 이차 전지 １４
• 1) 소듐 이차 전지의 개요 및 구성요소 １４
• 가) 양극 활물질 １６
• (1) 층상 구조 산화물 １６
• (2) 다가 음이온 화합물 １９
• (3) 유기 화합물 ２２
• 나) 음극 활물질 ２５
• (1) 탄소 물질 ２５
• (2) 합금 물질 ２６
• (3) 금속 산화물 ２８
• 3. 실험 ３０
• 가. 실험재료 ３０
• 나. 액상법을 이용한 MnMoO4 음극 활물질의 합성 ３０
• 다. Graphitic carbon nitride(g-C3N4)의 합성 ３２
• 라. 수열 합성법을 이용한 MnMoO4/rGO@g-C3N4 composite 음극 활물질의 합성 ３４
• 마. MnMoO4 음극활물질의 특성 분석 ３９
• 바. MnMoO4/rGO@g-C3N4 composite 음극 활물질의 특성 분석 ４０
• 4. 실험 결과 및 고찰 ４１
• 가. 이론적 배경 ４１
• 나. 음극활물질의 특성 분석 ４３
• 1) 액상법으로 합성된 MnMoO4 음극활물질의 특성 분석 ４３
• 2) 수열 합성법으로 합성된 MnMoO4/rGO@g-C3N4 composite 음극 활물질의 특성 분석 ４６
• 3) 액상법으로 합성된 MnMoO4 음극활물질과 수열합성법으로 합성된 MnMoO4/rGO 및 MnMoO4/rGO@g-C3N4 composite 음극활물질의 전기화학적 특성 비교 분석 ５６
• 5. 결론 ６６
• 6. 참고문헌 ６８
• 7. ABSTRACT ７４