리튬이온배터리 음극 소재인 Zinc borate의 탄소와 LATP의 하이브리드 코팅을 통한 높은 C-rate에서의 안정적인 사이클링

Abstract

리튬이온 배터리(LIB)의 음극재는 배터리의 충전 속도와 수명을 결정하는 중요한 소재이다. 또한, 리튬 이온을 많이 저장할 수 있을수록 전지의 에너지 밀도 향상에 도움을 줄 수 있다. 앞선 조건을 만족하며, 상용화된 카본과 실리콘의 장점 및 단점을 보완할 수 있는 음극재 연구가 필수적이다. 본 연구에서는 가격이 저렴하고, 512.5 mAh g-1의 높은 이론 용량을 갖는 등의 장점을 갖는 Zinc borate를 합성하였다. 또한 산화되기 쉬운 borate의 단점 보완을 위한 탄소(C) 코팅과 Li 이온의 투과를 촉진시키기 위해 고체 전해질인 LATP의 코팅도 동시에 진행하였다. Zn3(BO3)2@C_LATP의 구조 및 형태학적 특성은 X-선 회절 장치(XRD) 및 에너지 분산 X-선 분석 분광기가 장착된 주사 전자 현미경(SEM-EDX)을 이용하여 확인되었다. 전기화학적 성능은 CR2032 코인셀로 0.05-3.0 V의 전위 범위에서 galvanostatic automatic battery cycler를 이용하여 평가되었다. 그 결과, bare한 물질과 비교하였을 때, Zn3(BO3)2@C와 Zn3(BO3)2@C_LATP가 더욱 우수한 용량 및 사이클링 성능을 나타냄을 확인할 수 있었다. 특히 하이브리드 코팅을 한 Zn3(BO3)2@C_LATP는 높은 충전 속도에서도 안정적인 용량을 유지할 수 있는 음극재라고 판단할 수 있다.|The anode material is a crucial component of a lithium-ion battery (LIB) as it determines the battery's charging rate and lifetime. Additionally, the battery's energy density improves with the number of lithium ions it can store. Therefore, it is imperative to identify an anode material that meets these requirements and complements the strengths and weaknesses of commercialized carbon and silicon. In this study, zinc borate was synthesized due to its low cost and high theoretical capacity of 512.5 mAh g-1. To overcome the problem of borate's susceptibility to oxidation, it was coated with carbon and solid electrolyte, LATP. This was done to enhance the permeation of Li ions. The structural and morphological properties of Zn3(BO3)2@C_LATP were confirmed by X-ray diffraction (XRD) and scanning electron microscopy (SEM-EDX) equipped with energy dispersive X-ray analysis spectroscopy. The electrochemical performance was tested using a galvanostatic automatic battery cycler in the potential range of 0.05-3.0 V with CR2032 coin cells. The results showed that Zn3(BO3)2@C and Zn3(BO3)2@C_LATP exhibited better capacity and cycling performance compared to the bare material. Specifically, Zn3(BO3)2@C_LATP with a hybrid coating can be considered a reliable anode material that maintains stable capacity even at high charge rates.