고율, 고용량의 Li-ion 저장물질인 TiO2@Sn core-shell nanotubes

Abstract

TiO2재료는 최근 Li-ion전지의 고율특성에 응용하고자 많은 연구가 되어졌다. TiO2 (B), anatase, rutile 상의 TiO2재료의 전기화학적 특성에 관한 연구가 이루어 졌으며, rutile상에 비해 anatase상의 TiO2가 Li-ion의 삽입이 더 잘되는 것으로 알려져 있다. TiO2 (B)는 낮은 전기전도성을 가지기 때문에 전극재료 이용 시 많은 양의 carbon전도체를 사용하게 되고, 이로 인한 부피당 에너지 밀도가 떨어지는 단점을 가지고 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해, TiO2 재료의 표면에 전자전도성을 가지는 물질을 코팅하여 전도성을 높이고자 하였다. 전도성 물질로 코팅을 한 TiO2는 전극 재료 이용 시 carbon전도체의 사용량을 줄일 수 있을 것이고, carbon전도체 함량을 줄임으로써 전극의 부피당 에너지 밀도가 증가할 것이라 기대하였다. 전극재료의 합성은 Li-ion의 이동경로를 고려하여 표면적이 큰 tube형의 anatase TiO2를 이용하였다. 전도성 금속으로는 음극재료로 알려 져 있는 Sn을 이용, core-shell type으로 합성하였다. TiO2@Sn core-shell nanotube는 300℃에서 TiO2 nanotube에 SnCl4의 열분해 반응을 통해 합성하였다. Sn코팅의 여부는 XRD, SEM, TEM, XAS를 이용하여 확인을 하였다. 합성된 TiO2@Sn core-shell nanotube를 가지고 전기화학적 테스트를 한 결과, 4000mA/g (TiO2를 모두 충전·방전 하는데 5분 정도 걸릴 수 있는 전류량)의 고 전류에서, 5wt%의 작은 양의 carbon을 이용했음에도 불구하고 176mA/g의 Li-ion 저장용량을 나타내었다. 이 값은 317mAh/cm3의 부피당 에너지 밀도를 가지고 있음을 나타내며, bare TiO2 nanotube가 가지는 에너지 밀도보다 3.5배 높은 값을 가진다는 것을 알 수 있었다.; TiO2 nanotube@Sn core-shell material prepared by thermal decomposition of SnCl4 on TiO2 nannotubes at 300℃. It has been demonstrated superior Li-ion storage capability of 176 mAh/g even at high current rate of 4000 mA/g (charge and discharge of all TiO2 within 5 min) in spite of using low carbon content (5wt%). This value corresponds to volumetric energy densities of 317 mAh/cc, and its value was 3.5-fold larger than that of the bare TiO2 nanotubes. The results demonstrated that highly electronic conducting Sn coating led to significant improvement of the rate capabilities of TiO2 nanotubes at higher C rates.