리튬이온 배터리 응용을 위한 형태와 결정성 조절이 가능한 NiCo2O4/NiO, NiO/CoO 헤테로 구조@탄소 복합체

Abstract

최근 실시간 애플리케이션에서, 리튬 이온 배터리의 성능을 높이기 위해 우수한 용량, 빠른 속도로 장기간 충전 및 방전이 가능한 성능을 갖춘 전극 재료를 개발하는 것이 중요하다.

이원 금속 산화물은 단일 금속 산화물(NiO 718 mAh/g, CoO 715 mAh/g)에 비해 전기 전도성과 기계적 안정성이 우수하며, 높은 이론 용량(NiCo2O4의 890 mAh/g)을 나타낸다. 그럼에도 불구하고 충전 및 방전을 거치면서 큰 부피 팽창으로 인해 애플리케이션이 중단된다. 따라서, 표면 개질 및 다양한 금속 산화물 및 탄소와의 복합화를 통해 NiCo2O4의 문제를 극복하고자 하는 수많은 시도가 이루어지고 있다.

다성분 금속 산화물의 형태와 조성은 전극 재료의 전기화학적 성능을 향상시키는 효과적인 방법이다. 플루오린화 암모늄(NH4F)을 구조 지향제로 사용하여 NiCo-Layered Double Hydroxide(LDH)의 성게 및 꽃 형태를 용이하게 수열법을 통해 합성할 수 있다. Ni/Co 원소와 잘 정의된 구조 간의 시너지 효과는 큰 전기화학 활성 계면을 제공하고 충전/방전 시 빠른 이온 수송 및 부피 변화를 완충한다.

이에 본 연구는 수열법을 통해 합성된 NiCo-LDH를 구조 지향체로 하여 NiCo2O4/NiO@C(NCO@C)와 NiO/CoO@C(NOCO@C) 두 물질을 합성하였다. 합성된 구조를 SEM과 X-ray diffraction(XRD) 등으로 확인하고 전기화학 실험을 통해 리튬 이온 배터리의 성능을 분석 하는 것을 목표로 연구를 진행하였다. 복합 전기화학적 성능의 잘 분산된 헤테로 구조가 전해액 노출에 대한 활물질의 높은 표면 형태에 크게 의존하여 높은 활용률로 촉진된다는 것을 보여준다. | Developing high-performance electrode materials with superior capacity, sustainable rate, and retentive cyclability is important for LIB in real-time applications.

Binary metal oxides exhibit a high theoretical capacity (890 mAh/g of NiCo2O4) with good electrical conductivity and mechanical stability than mono metal oxides (718 mAh/g of NiO and 715 mAh/g of CoO). Still, their significant volume expansion hinders their application. Therefore, numerous attempts have been made to overcome the boundaries of NiCo2O4 by surface modification and composite with various metal oxides and carbon.

The shape and composition of multi-component metal oxides are effective methods of improving the electrochemical performance of electrode materials. Ammonium fluoride (NH4F) is used as a structural-directing agent and synthesized by an easily hydrothermal method in the form of sea urchin and flower of NiCo-layered double hydroxide (LDH). The synergistic effect between Ni/Co elements and well-defined structures provides a large electrochemical active interface and buffers fast ion transport and volume changes during charging/discharging.

Therefore, in this study, two materials, NiCo2O4/NiO(NCO)@C and NiO/CoO(NOCO)@C, were synthesized using NiCo-LDH synthesized through hydrothermal method as structural directives. The synthesized structure was confirmed by SEM, X-ray diffraction (XRD), etc., and research was conducted to analyze the performance of a lithium ion battery through an electrochemical experiment. This work demonstrates that the well-dispersed heterogeneous particles of NiCo2O4/NiO composite electrochemical performance are highly dependent on high surface morphologies of the active material to exposure to the electrolyte, which promotes to high utilization rate.