TiNb2O7/graphene oxide composite based on polydopamine surface modifications anode materials for lithium-ion batteries

Abstract

리튬이온전지는 소형 전자기기의 전력원으로 상용화되어 스마트 폰, 노트북 등 에 폭넓게 적용되어 꾸준한 관심을 받아왔으며, 최근에는 중대형 전력 저장장치 기술에 대한 관심이 점차 증가하면서 리튬이온전지의 전극 소재에 있어서 고 에너지, 고출력 특성에 대한 수요가 급증하였다. 상용화된 흑연 전극은 음극 소재로서 낮은 이론 용량과 SEI(solid electrolyte interphase) 형성 또는 금속 리튬의 전착(electrodeposition)과 같은 많은 문제점을 가지고 있다. 따라서 이를 대체할 새로운 음극 소재 연구가 활발하게 진행되어 왔으며, 산화물 계 음극 소재 중 TiNb2O7는 2011년에 처음 보고되어 기존 Li4Ti5O12가 갖는 높은 작동 전압에 의하여 SEI생성을 억제하는 전기화학적 안정성을 가지면서 더 높은 이론 용량 (387.6 mA h g-1)의 장점을 추가로 갖고 있다. 그러나 불행하게도, 이 TiNb2O7의 Ti4+는 3d0 전자 구조와 3.2 eV의 높은 밴드 갭(band gap)을 가짐으로 낮은 전자 전도성을 갖는다. 따라서 고출력의 리튬이온전지를 구현하는데 큰 어려움으로 작용한다. 따라서 본 연구에서는 graphene oxide를 도입하여 TiNb2O7의 전자 전도성을 높이고자 하였다. 이에 더하여, 두 소재 간의 높은 접촉을 얻고자 폴리도파민(polydopamine) 코팅 기술을 도입하였는데, 홍합의 족사(byssus)의 성분에서 유래된 폴리도파민은 ？OH의 작용기를 풍부하게 가지고 있어, 높은 친수성과 함께 유/무기(organic/inorganic) 표면에 잘 접착하는 특성을 가진다. 따라서 본 연구에서는 폴리도파민을 코팅하여 물에 대한 분산성과 무기표면에 대한 접착성을 크게 향상시킨 graphene oxide를 활용하여 2차원의 graphene 소재에 TiNb2O7 입자가 균일하게 분산된 복합체를 합성하였다. 결과적으로 본 연구의 공정은 그래핀 소재의 표면을 활물질과 전도성 소재와의 긴밀한 접촉을 가능케하여 TiNb2O7가 갖는 낮은 전도성을 크게 보완하여 출력 특성이 더욱 향상된 리튬이온전지를 구현할 수 있을 것으로 기대된다.