High electrochemical performance of $TiO_2$/nitrogen-doped open channeled graphene nanocomposite as an anode material for sodium ion batteries우수한 전기화학 특성을 갖는 $TiO_2$ /오픈 채널을 가진 질소도핑 그라핀 나노복합체의 소듐 이차전지 음극물질로의 응용 연구

Cited 0 time in webofscience Cited 0 time in scopus
  • Hit : 564
  • Download : 0
DC FieldValueLanguage
dc.contributor.advisorKang, Jeung Ku-
dc.contributor.advisor강정구-
dc.contributor.authorCha, Hyun Ae-
dc.contributor.author차현애-
dc.date.accessioned2017-02-08T19:30:14Z-
dc.date.available2017-02-08T19:30:14Z-
dc.date.issued2014-
dc.identifier.urihttp://library.kaist.ac.kr/search/detail/view.do?bibCtrlNo=657378&flag=dissertationen_US
dc.identifier.urihttp://hdl.handle.net/10203/220429-
dc.description학위논문(석사) - 한국과학기술원 : EEWS대학원, 2014.2 ,[vi, 55 p. :]-
dc.description.abstract이차전지는 여러번 충방전을 통하여 전기 에너지를 화학 에너지의 형태로 바꾸어 저장해 두었다가 필요할 때에 전기를 만들어 내는 장치를 일컫는다. 소듐 이차전지는 주기율표에서 리튬의 바로 아래에 위치하여 리튬과 가장 비슷한 특성을 가지고 지구상에 6번째로 많은 광물인 소듐을 이용하는 이차전지로써 희귀금속인 리튬을 이용하는 리튬 이차전지를 대체할 수 있는 차세대 배터리이다. 전기자동차 시장이 크게 열릴 것으로 예상되며 이에 따른 이차전지의 소요도 높아질 것으로 예상 되어진다. 따라서 배터리의 대량화를 위해 소듐 이차전지 연구는 매우 중요하다. 하지만 소듐의 사이즈가 리튬보다 55 % 가량 크기 때문에 소듐을 저장할 적당한 음극 물질의 연구가 많이 진행되지 않았다. $TiO_2$ 의 경우 지구상에 풍부하며 매우 안정하고 환경에 무해하다는 재료적 특징뿐만이 아니라 리튬 이차전지에서 4 % 미만의 부피팽창으로 매우 매력적인 물질이다. 최근 Amorphous $TiO_2$ 를 비롯하여 $TiO_2$ (B) nanotube, $Na_2Ti_3O_7$, $Li_4Ti_5O_{12}$ 등 다양한 Titanate계의 물질이 소듐 이차전지의 음극물질로 개발되고 있다. 하지만 최대 용량이 $150 mAh g^{-1}$ 으로 다른 음극물질에 비해 상대적으로 낮은 용량특성을 보인다. 이는 $TiO_2$ 의 낮은 전도성 때문으로, 리튬 이차전지의 경우 이를 보완하고자 $TiO_2$ / graphene 나노복합체를 음극물질로 이용하였다. 또한 이온 diffusivity를 높이고자 graphene에 $MnO_2$ 에칭을 통하여 소듐이 통과할 수 있는 오픈 채널이 되는 Pore를 구성, CVD로 질소를 도핑하여 소듐 이온이 반응 할 수 있는 site를 증가시켜 용량 증가를 보고자 하였다. 질소 도핑된 Graphene의 경우 전기전도성을 높여줄 뿐만이 아니라 전극과 전해질 사이의 젖음성을 높여 전자의 흐름을 윤활히 해준다. 2-dimension의 포러스 물질의 경우 Open layered 구조를 통하여 이온 확산을 증대시켜 준다. 이는 리튬보다 이온 사이즈가 큰 소듐 배터리에서 매우 큰 효과를 보일 것이라 예상하였다. 이에 기반하여 최초로 $TiO_2$ / graphene 나노복합체를 소듐 이차전지의 음극물질이 적용하였으며 $TiO_2$ / Nitrogen-doped Open Channeled Graphene 나노복합체 분말을 만들어 배터리 실험을 진행하였다. Hummer’s method를 통하여 Graphene Oxide 제조, Microwave synthesis를 통하여 Open Channeled Graphene 제조, CVD를 통한 질소 도핑 그리고 이렇게 만들어진 Nitrogen-doped Open Channeled Graphene 와 $TiO_2$ 를 hydrothermal을 통하여 나노 분말을 합성해 냈다. TEM, SEM 을 통하여 약 5~10 nm 사이즈의 $TiO_2$ 가 graphene과 적절히 composite를 만든 것을 확인하였고 XRD, Raman분석으로 $TiO_2$ 와 graphene 나노복합체 분말의 결정구조를 확인하였다. XPS를 통해 Nitrogen과 carbon의 bonding을 확인 하였다. Porous graphene의 경우 TEM이미지와 BET pore volume분석을 통하여 Graphene에 소듐 이온의 채널로 작용할 수 있는 Micro pore가 형성 되었음을 확인하였다. 소듐 이차전지 배터리 측정을 통하여 Cyclic Voltammetry실험과 $50mA g^{-1}$, $100mA g^{-1}$ 의 current density의 cycle특성을 확인하였다. $50 mA g^{-1}$ 의 Current density에서 기존의 다른 Titanate계 소듐 음극물질에 비해 상대적으로 높은 $487 mAh g^{-1}$ 의 용량을 나타내었다. 또한 $100 mA g^{-1}$ 의 Current density에서 100 cycle까지 안정하게 배터리를 용량이 유지되는 것을 확인하였다. $50 mA g^{-1}$ 에서 $1000 mA g^{-1}$ 까지의 Current density를 변화시켜 가며 Rate performance를 측정한 결과 우수한 Rate reversibility를 확인할 수 있었다. 특히 $TiO_2$ / Nitrogen-doped Open Channeled Graphene, $TiO_2$ / Nitrogen-doped graphene, Bare $TiO_2$ 나노복합체 분말의 배터리 특성 비교를 통하여 Open Channeled graphene과 복합체 일시 surface area의 증가뿐만이 아니라 pore가 소듐 이온의 channel로 작용함으로써 용량 증가가 있음을 확인할 수 있었다.-
dc.languageeng-
dc.publisher한국과학기술원-
dc.subjectsodium ion batteries-
dc.subjectanodes-
dc.subjectopen channeled graphene-
dc.subjectTiO2-
dc.subjectgraphene composites-
dc.subject소듐 이차전지-
dc.subject음극-
dc.subject채널화 된 그라핀-
dc.subject그라핀 복합체-
dc.titleHigh electrochemical performance of $TiO_2$/nitrogen-doped open channeled graphene nanocomposite as an anode material for sodium ion batteries-
dc.title.alternative우수한 전기화학 특성을 갖는 $TiO_2$ /오픈 채널을 가진 질소도핑 그라핀 나노복합체의 소듐 이차전지 음극물질로의 응용 연구-
dc.typeThesis(Master)-
dc.identifier.CNRN325007-
dc.description.department한국과학기술원 :EEWS대학원,-
dc.contributor.localauthorKang, Jeung Ku-
dc.contributor.localauthor강정구-
Appears in Collection
EEW-Theses_Master(석사논문)
Files in This Item
There are no files associated with this item.

qr_code

  • mendeley

    citeulike


rss_1.0 rss_2.0 atom_1.0