A Study on the Synthesis and Electrochemical Characteristics of Carbonized Coffee Powder for Use as a Lithium-Ion Battery Anode
Tae Gyun Kim · Jin Hyuk Cho · De Pham-Cong · Injun Jeon
Department of Nano Fusion Technology, Pusan National University, Busan 46241, Korea
Jin Hyun Hwang
Department of Nanoenergy Engineering, Pusan National University, Busan 46241, Korea
Kyoung Hwa Kim
Department of Electronic Materials Engineering, Korea Maritime and Ocean University, Busan 49112, Korea
Chae Ryong Cho
∗Department of Nano Fusion Technology, Pusan National University, Busan 46241, Korea and Department of Nanoenergy Engineering, Pusan National University, Busan 46241, Korea
(Received 29 August 2018 : revised 23 October 2018 : accepted 1 November 2018)
We studied the carbonization due to the annealing condition of waste coffee powder for application as an active anode material for lithium-ion batteries (LIBs). The coffee powder used as an active anode material for LIBs was obtained from coffee beans, not from a coffee shells. The waste coffee powder was dried in air and heat-treated in an Ar/H2 atmosphere to obtain a pore-forming activated carbon powder. The specific capacity of the sample annealed at 700◦C was still 303 mAh/g after 1000 cycles at a current density of 1000 mA/g and with a coulombic efficiency of over 99.5%. The number of pores and the pore size of the waste coffee powder were increased due to chemical treatment with KOH, which had the some effect as an increased specific surface area. The waste coffee powder is considered to be a very promising active anode material because of both its excellent electrochemical properties due to enhanced carrier conduction and its being a cost effective resource for use in LIBs.
PACS numbers: 81.05.U-, 82.47.Aa, 88.20.F-
Keywords: Lithium ion battery, Waste coffee powder, Surface treatment, Electrochemical properties, Diffu- sion coefficient
리튬 이온 이차전지 음극 활물질용 탄화 커피 분말 제조 및 전기화학적인 특성연구
김태균 · 조진혁 · 팜꽁데 · 전인준
부산대학교 나노융합기술학과, 부산 46241 대한민국
황진현
부산대학교 나노에너지공학과, 부산 46241 대한민국
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본 연구에서는 폐 커피분말을 열처리 조건에 따른 탄화과정을 거쳐 리튬 이온 이차전지의 음극 활물질 재료로 응용하기 위한 실험을 진행하였다. 이차전지의 음극 활물질로 사용한 커피분말은 커피 껍질이 아닌 커피 알맹이로부터 얻은 것으로, 커피를 내리고 남은 커피분말을 공기 중에서 건조하고 Ar/H2분위기에서 열처리하여 기공 (pore) 이 있는 활성 탄소 분말 형태로 얻을 수 있었다. 전기화학적인 특성을 조사한 결과 약 0.2 V에서 Li의 삽입, 0.01 V에서 Li의 탈리가 관찰되었다. 700◦C에서 열처리된 시료에 대해 1000 mA/g의 전류밀도로 1000 사이클 충방전 후 측정된 비용량은 303 mAh/g 이었으며 99.5% 이상의 쿨롱 (Coulomb) 효율을 나타내었다. 폐 커피분말을 이용한 리튬이온이차전지는 기공으로 인한 표면적 증가와 이온 및 전자전도 특성 개선으로 전기화학적인 성능 향상을 보였으며, 또한 재활용을 통한 전지 제조 가격을 낮출 수 있는 이점이 있다.
PACS numbers: 81.05.U-, 82.47.Aa, 88.20.F-
Keywords: 리튬이온이차전지, 폐 커피분말, 표면처리, 전기화학적 성질, 확산계수
I. 서 론
최근 IT용, 전기차 (electric vehicle, EV) 등 다양한 분 야에서 이차전지의 사용이 증가하고 있으며, 환경 문제로 인한 신재생 에너지가 각광받고 있는 가운데, 에너지저장 시스템 (energy storage system, ESS) 에서 충전이 가능한 리튬 이차전지의 수요가 증가하고 있다. 리튬 이차전지의 음극 활물질로서 흑연 (C) 은 372 mAh/g의 이론용량을 가 지고 있으며, 원료의 풍부성과 높은 안정성을 가지는 전지의 실현이 가능하다 [1–3].
최근에는 이러한 흑연계 활물질을 화석 연료가 아닌 저 렴하고 친환경적인 바이오매스 원료에서 얻는 연구가 많이 진행되고 있다 [4–6]. 쌀겨의 열분해 및 NaOH 처리를 통해 얻은 탄소를 음극 활물질로 적용한 경우에는, 0.1과 0.2 C의 전류 밀도 하에서 819와 463 mAh/g의 초기 충방전 용량을 나타내었다 [4]. 콩 찌꺼기를 900◦C에서 열분해하여 얻은 탄소를 음극 활물질로 사용한 연구에 따르면 0.1 C 하에서 100 사이클 후에 344 mAh/g, 1 C 하에서 500 사이클 후에 100 mAh/g의 가역 용량을 가지는 것으로 보고되었다 [5].
열분해를 통해 콩 찌꺼기로 부터 얻은 탄소의 경우에는, 0.1 C 하에서 100 사이클 후에 748 mAh/g, 1 C에서 500 사이클 후에 595 mAh/g의 용량을 가졌다. 열분해 된 코 코넛 껍질을 음극활물질로 사용한 연구에 따르면, 972와
∗E-mail: [email protected]
527 mAh/g의 초기 충방전 용량을 나타내었다 [6]. 코코넛 껍질의 기공 유도물질 (porogen) 과 KOH 처리 이후 열분해 탄소의 경우 1714와 1080 mAh/g의 초기 충방전 용량을 나타내었다.
다공성 활성탄소는 크게 산화성 기체를 이용해 탄소를 기 화시키는 물리적 활성화와 KOH, Na2CO3, NaOH, ZnCl2, MgCl2, H3PO4 등의 화학약품을 이용한 화학적 활성화로 나눌 수 있다. 화학적 활성화 중 수산화 용액 (KOH) 을 처 리하면 탄소와 산화, 환원 반응으로 표면적이 넓고 흡착이 용이한 다공성 활성탄소를 생성할 수 있다 [7–9].
본 연구에서는 폐 커피분말의 로스팅 (roasting) 과정 에서 생긴 화학 물질과 불순물을 제거하고 KOH 처리와 열처리로 얻은 폐 커피분말 활물질의 구조와 표면 형상을 관찰하였다. 리튬 전극을 사용한 반쪽 셀로서 전기화학적 분석을 실시하였으며, 폐 커피분말 기반의 활성 탄소에서의 Li 이온 및 전자의 전하 전달 기구와 전해질과 활물질 간의 계면반응 등을 조사하였다 [8,10].
II. 실 험
이차전지용 음극 활물질 제조를 위한 재료는 폐 커피분말 을 사용하였으며, 분쇄, 건조, 열처리 과정을 거쳐 구조적, 표면형상, 전기화학적 특성 등을 조사하였다.
Fig. 1. (Color online) Photographs of (a) residual coffee beans, (b) dried waster coffee powder, and (c) carbon powders and (d) activated carbon powders.
1. 폐 커피분말 합성
커피점이나 가정에서 커피 빈을 분쇄하여 추출한 후 남은 폐 커피분말을 이용하여 활성 탄소를 합성하였다. Fig. 1은 본 논문에서 폐 커피분말을 활성 탄소로 합성하는 과정을 나타낸 모식도이다. 먼저, 분쇄된 폐 커피분말 (Fig. 1(a)) 을 진공 오븐에서 100 ◦C의 온도로 건조시켜 표면에 존재 하는 수분을 제거하였다 (Fig. 1(b)). 건조된 분말은 지르 코니아 볼 (zirconia ball) 을 사용한 볼밀링 (ball milling) 공정으로 균질하게 분쇄한 이후에 내부에 잔류하는 휘발 성분의 제거를 위해 200◦C에서 1차 열처리 과정을 거쳤다.
다음으로 진공 전기로 내에서 각각 800, 900, 그리고 1000
◦C로 6시간 동안 2차 열처리를 진행하였다. 2차 열처리는 전기로에 아르곤/수소 (Ar/5%H2) 를 1 L/min로 공급하여 커피 분말의 환원과 잔여 섬유질, 단백질 및 지방을 제거 하였다 (Fig. 1(c)). 폐 커피분말을 KOH에서 24시간동안 처리하여 잔류물을 녹여 내부에 기공이 형성하였다. 그리고 증류수로 세척한 후 3시간 동안 진공에서 건조시킨다. 3 차 열처리는 아르곤/수소 (Ar/5%H2) 분위기 하에서 700
◦C로 3시간 동안 열처리하여 내부 기공의 크기와 개수가 증가된 폐 커피분말을 얻었다 (Fig. 1(d)).
Table 1은 실험을 위해 준비한 시료들의 열처리 조건을 나타낸 것이다. 1차 열처리에서는 표면에 존재하는 수분과 휘발성 물질을 제거하였으며, 2와 3차 열처리를 거쳐 폐 커피 분말에서 여분의 섬유질, 단백질 및 지방들을 제거 하였고 시료의 탄화 과정을 진행 하였다. 특히 2차 열처리 후에는 KOH을 이용하여 여분의 잔류물을 녹여내고 기공을 형성하거나 기존의 기공을 확장시켜 표면적이 넓고 흡착이 용이한 활성탄소를 얻을 수 있었다. KOH 처리를 하면 표면의 탄소는 KOH와 반응을 하여 K를 환원하는 반응, 탄소 산화물 또는 탄산염으로 산화하는 반응과 함께 기공을 형성시키는 것으로 알려져 있다 [7].
Table 1. Annealing temperatures for preparation of the activated carbonized waste coffee powders.
Samples 1st Heat 2nd Heat 3rd Heat treatment (◦C) treatment (◦C) treatment (◦C)
WCP-1 200 800
WCP-2 200 900
WCP-3 200 1000
WCP-4 200 800 700
WCP-5 200 900 700
WCP-6 200 1000 700
2. 특성 분석
제조된 활성탄소의 표면 형상을 15 kV의 가속 전압에서 전 계 방출 주사전자현미경 (field-emission scanning electron microscopy, FE-SEM, Hitachi, S4700) 을 이용하여 관찰 하였다. 합성한 활성 탄소의 조건별 구조 변화를 알아보기 위해서 Cu–Kα1 (λ = 1.5409 Å) 파장을 가진 X선 회절 분석기 (X-ray diffractometer, XRD, Rigaku, MiniFlexII) 를 이용하여 2θ = 20∼ 80◦의 범위에서 회절 패턴을 측정 하였다.
시료의 전기화학적 특성 분석을 위해 Fig. 2 와 같은 CR2032 형의 코인셀을 제조하였다. 음극판용 슬러리 제조를 위해 폐 커피분말 활물질 : Carbon black: Car- boxymethyl cellulose (CMC) 의 중량비를 70:15:15로 혼합 하였다. 슬러리는 1시간동안 혼합하였으며, 닥터 블레이 드 (doctor blade) 를 사용하여 구리 박 (Cu foil) 위에 150 µm 두께로 코팅한 후 진공 오븐에서 80 ◦C의 온도로 12 시간 동안 건조하였다. 코인셀의 조립은 6 N 아르곤으로 충진된 글러브 박스 내에서 진행하였다. 전해액은 1 M Lithium hexafluorophosphate (LiPF6) 10 wt%를 Ethy- lene carbonate (EC) : Dimethyl carbonate (DMC) = 1 : 1 부피비 (volume ratio) 로 용해시켜 사용하였으며, 분리막 (separator) 은 Celgard 2400 Polypropylene을 사용하였다 [12,13].
Fig. 2. (Color online) Process on the preparation of coin cell assembly to obtain the electrochemical properties of activated carbonized waste coffee anode.
조립된 CR2032 코인셀은 정전류법을 이용해 충방전 용 량 및 특성을 측정하고, 전기화학 임피던스 분광법 (electro- chemical impedance spectroscopy, EIS) 을 이용하여 저항 변화와 계면 반응 등을 분석하였다. 시료의 순환전압 (cyclic voltammetry, CV) 특성은 galvanostat/potentiostat sys- tem (Wonatech Co., Ltd., Korea) 을 이용하여 0.001 - 3.0 V (vs. Li/Li+) 에서 0.1 mV/s의 스캔율로 측정하였으며, 또한 C-rate (탄소 활물질의 이론 비용량 372 mAh/g 기준, 여기서 1C는 음극에 사용한 활물질 중량 비를 고려하여 계산하였음) 를 0.1 - 20 A/g로 변화시키며 비용량을 측정 하였다. Zive MP1(Wonatech Co., Ltd.) 을 이용하여 10 mV의 AC 진폭으로 100 kHz - 0.01 Hz의 주파수 범위에서 전기화학 임피던스 분광법 (EIS) 측정을 수행하였다. 시 료의 비용량은 흑연의 이론용량인 372 mAh/g을 기준으로 비교·분석 하였다.
III. 실험 결과 및 논의
Fig. 3는 폐 커피분말로부터 제조된 활성탄의 열처리 온 도에 구조적 변화를 분석하기 위해 측정한 X-선 회절 스펙트 럼이다. 모든 시료의 XRD 회절 스펙트럼에서 26◦의 (002) 피크와 42◦의 (101) 피크가 관찰되며, ICDD (international centre for diffraction data) card (00-041-1487) 와 비교한 결과 전형적인 흑연의 결정상과 일치하는 것으로 확인되었 다 [14,15]. 비록 800, 900, 1000◦C의 온도에서 각각 열처 리 되었지만 결정 형태의 급격 (sharp) 한 피크는 관찰되지 않았고, 비정질 및 흑연 구조가 형성되었을 것으로 추정되는 폭 넓은 (broad) 피크가 관찰되었다. 그 결과 모든 시료들의 구조적 차이는 크지 않은 것으로 판단된다.
Fig. 4는 열처리와 에칭과정을 거쳐 폐 커피분말 내부에 있던 단백질, 지방 등의 성분 추출로 기공이 형성된 활성 탄소 분말의 SEM 사진을 나타낸 것이다. Fig. 4(a)-(c) 는 1 차 열처리 200◦C와 2차 열처리를 조건별로 800, 900, 1000
◦C에서 각각 열처리한 시료의 SEM 표면 사진으로 기공이
Fig. 3. (Color online) XRD patterns of the samples pre- pared at various annealing temperatures.
형성된 것을 나타낸 것이다. Fig. 4(d)-(f) 는 1, 2차 열처리 후 KOH 처리하고 이를 700 ◦C에서 3차 열처리하여 폐 커피분말을 최종 탄화 폐 커피분말에 대한 SEM 사진이다.
KOH 처리 전의 시료 (WCP-2) 에 대한 폐 커피분말의 기공 크기 (pore volume) 와 비표면적 (specific surface area) 은 각각 0.001 cc/g와 2.4 m2/g으로 측정되었다. 이러한 시료 와는 달리 KOH 용액을 처리한 후 열처리한 시료 (WCP-5) 의 경우 기공 크기와 비표면적은 각각 0.102 cc/g와 99.1
Fig. 4. (Color online) SEM images for the samples prepared at various annealing temperatures: (a) WCP-1, (b) WCP-2, (c) WCP-3, (d) WCP-4, (e) WCP-5, and (f) WCP-6.
Fig. 5. (Color online) Electrochemical properties of the activated waste coffee powders: (a) cyclic voltammetry (CV) curves of WCP-5 at scan rate of 0.1 mV/s, (b) charge/discharge galvanostatic curves of WCP-5 upto ten cycles at the current density of 0.1 A/g, (c) cycling performances of all samples at the current density of 0.1 A/g, and (d) C-rate performance of the samples measured at current densities of 0,2, 0.5, 2, 4, 8, and 0.5 A/g, respectively.
m2/g로 측정 되었다. KOH을 처리할 경우 폐 커피분말의 기공의 사이즈와 개수가 증가한다는 것을 확인할 수 있었 으며, 기공 개수 및 크기의 증가 폭 또한 큰 것을 확인했다.
따라서 열처리와 에칭과정은 폐 커피분말의 기공 개수 및
크기를 변화하여 비표면적을 증가에 효과적임을 알 수 있다.
Fig. 5는 폐 커피분말로 제조된 리튬-이온전지 (lithium- ion battery, LIB) 코인 셀 시료들의 전기화학적 특성 측정 결과들을 나타낸 것이다. Fig. 5(a) 는 WCP-5에 대해 0.1
Fig. 6. (Color online) Electrochemical properties of WCP-5; (a) specific capacity and (b) Coulombic efficiency as a function of cycle at the current density of 1 A/g, (c) charge/discharge galvanostatic curves of sample as a function of various current density (0,2, 0.5, 2, 4, and 8 A/g), and (d) cycling performances of the samples at the current density of 1 A/g.
mV/s 의 스캔 속도로 3 회 측정한 C-V 곡선으로서, 0.25 V의 피크는 전형적인 탄소계 소재의 화학반응에 기인한 것임을 알 수 있다 [5,16].
보다 구체적으로 리튬이온의 삽입이 첫 번째 사이클에서 약 0.23 V, 두 번째, 세 번째 사이클에서 약 0.19 V에서 나 타나고, 리튬이온의 탈리는 첫 번째 사이클에서 약 0.01 V, 두 번째, 세 번째 사이클에서 약 0.005 V에서 관측되었다 [16]. 첫 번째 사이클에서 약 1.31 V에 나타나는 피크는 전해질이 분해되어 활물질의 표면에 SEI (solid-electrolyte interphase) 층이 형성되었음을 예상할 수 있다. SEI 층은 충방전 과정 동안 분해된 전해액이 음극 활물질의 표면에 쌓여서 형성된 것으로 비가역 용량 저하의 원인이 되는 것 으로 알려져 있다. 그러나 이 층은 반복되는 충방전 과정 동안 전해액의 추가적인 분해를 방지하는 역할을 하여 CV 그래프의 첫 번째 사이클에서만 관찰된 것으로 판단된다 [17,18]. Fig. 5(b) 는 Fig. 5(a) 시료에 대한 비용량과 전압 과의 관계를 10 사이클까지 측정한 결과를 나타낸 것으로 0.1 A/g의 전류밀도에서 측정되었다. 그래프를 보면 알 수 있듯이 첫번째 사이클 방전 이외에는 안정된 값을 보이고 있으며 이러한 값은 전형적인 탄소계 소재의 전기화학적인
특성과 유사하다. Fig. 5(c) 는 열처리 조건 (온도 및 횟수) 을 달리하여 얻은 탄화된 폐 커피분말에 대한 충방전 사이클 횟수에 따른 비용량 측정 결과를 나타낸 것이다. 모든 시 료에서 탄소의 이론 용량 372 mAh/g보다 낮은 값이 측정 되었으나, 다양한 열처리 조건에 따른 시료들의 비용량은 이론용량의 90% 정도인 340 mAh/g까지 측정 되었다. 40 사이클까지 충방전하는 동안 각 시료들은 첫번째 사이클의 충방전 결과 이외에는 일정한 값을 유지하였다. 이와 같은 활성탄의 사이클 횟수에 따른 비용량 특성을 확인해본 결과, 1000◦C의 고온에서 열처리 한 WCP-3과 6의 비용량은 상 대적으로 낮은 값을 보인 반면, WCP-5가 가장 높은 비용량 특성과 안정한 사이클 특성을 보였다. WCP-5 시료의 우수 한 전기화학적인 특성은 2차 열처리 900◦C로 활성탄소가 탄화되면서 충분한 밀도를 유지하였고 KOH 처리 후 700
◦C 열처리로 비표면적의 추가적인 증가에 기인한 것으로 예상된다. 그러나 1000 ◦C 시료의 경우 소재의 탄화 뿐만 아니라 높은 온도로 인해 여분의 산소 성분과 반응으로 일부분 재가 형성되어 특성이 좋지 않은 것으로 판단된다.
충방전 사이클 증가에 따른 비용량의 전류밀도 의존성 (C- rate, 1 C = 372 mA, 1시간 1 g 기준) 을 측정하여 충방
Fig. 7. (Color online) EIS data for (a) fresh cell (before cycling) and (b) cell after 600 cycling. Plots of Z′ against W−1/2 for the cells of (c) before cycling and (d) after 600 cycling. The insets show the corresponding equivalent circuits for fitting.
전 속도에 따른 셀의 전기화학적인 특성을 조사하였으며, Fig. 5(d) 에 그 결과를 나타내었다. WCP-5 시료의 경우 사이클 안정성과 더불어 C-rate 변화에 상대적으로 우수한 성능을 보였다.
탄화 폐 커피분말 활물질에 대한 충방전의 안정성 특성 에 관한 결과를 Fig. 6에 나타내었다. Fig. 6(a) 와 (b) 는 WCP-5에 대한 사이클 증가에 따른 비용량과 쿨롱 효율의 변화를 나타냈다. 1 A/g 전류밀도에서 1000 사이클 충 방전 후 비용량은 약 303 mAh/g과 쿨롱효율은 99.7%로 일정하게 유지하며 높고, 우수한 값을 보였다. Fig. 6(c) 는 WCP-5에 대해 전류밀도 증가에 따른 비용량과 전압과의 관계를 보인 것으로 전류밀도가 증가함에 따라 비용량 값의 변화는 Fig. 5(d) 에서 보인 것과 같이 일정하게 감소되는 것을 알 수 있다. 따라서 이러한 경향은 SEI 형성 등 탄소계 기반 활물질에서 나타나는 현상에 의한 것으로 판단된다.
Fig. 6(d) 는 Fig. 6(a)-(c) 에서 보인 시료를 제외한 각각 다 른 조건에서 준비된 활성탄을 600 사이클까지 충방전 하는 동안의 비용량 특성의 변화를 나타낸 것이다. 준비된 여러 시료들도 WCP-5 시료와 같은 사이클 안정성은 우수하였 으나, 상대적으로 비용량은 현저하게 차이가 있음을 확인
하였다. Fig. 7은 각 시료의 코인셀 조립 직후 (fresh cell;
before cycling) 와 600회 충방전 후 (after cycles) 에 대한 EIS 측정 결과를 등가 회로에 맞춤 (fitting) 으로써 임피던 스 데이터를 분석하여 나이퀴스트 선도 (Nyquist plot) 를 도식화한 것이다. EIS 측정은 시료의 전극-전해질-활물질 등의 전기화학적인 계면 반응에 의한 저항 변화를 연구하기 위해 수행하였다. 실험결과에서 높은 주파수 영역과 중간 주파수 영역의 Nyquist plot은 각각 접촉 저항과 전하 전달 저항에 기인한다. Fig. 7(a) 는 fresh cell에 대한 Nyquist plot으로 전체 진동수 영역과 확대한 고주파 영역에서의 저항 관계를 나타낸 것이다. WCP-3의 시료를 제외하고는 모든 시료의 직렬 저항은 거의 같은 값을 가졌다. Fig. 7(b) 는 모든 fresh cell에 대해 600 사이클 충방전 한 후의 저항변 화를 측정한 것이다. 시료의 종류에 따른 plot의 모양은 큰 차이를 나타내었다. 리튬이온의 와버그 임피던스 (Warburg impedance) 계수 (σ) 는 다음 식 (1) 에 의해 계산될 수 있다.
Z′= Rs+ RSEI+ Rct+ σw−1/2 (1) Fig. 7(c) 와 (d) 는 저주파에서 Z′와 W−1/2 그래프의 피팅된 기울기 σ 에 해당한다. 시료의 저주파 영역에서의
WCP-5 2.5 114 128 2.9× 10
WCP-6 2.2 181 136 2.5× 10−17
WCP-1 1.0 31.0 1.2 12.4 3.1× 10−15
WCP-2 2.9 23.1 14.2 7.7 8.0× 10−15
After WCP-3 0.4 1.1 0.2 13.2 2.7× 10−15
600 Cycles WCP-4 2.4 0.1 2.3 21.9 1.0× 10−15
WCP-5 4.2 10.6 20.7 8.3 6.8× 10−15
WCP-6 3.4 19.2 15.3 11.9 3.3× 10−15
직선으로부터 활물질에서 Li 이온의 확산에 대한 정보를 얻을 수 있으며, 전극에 대한 리튬이온의 확산계수 값은 다음 식 (2) 로 계산하였다 [19–22].
DLi+= 0.5(RT /An2F2Cσ)2 (2) 여기서, R 은 기체 상수 (8.314 J·mol−1K−1), A 는 전극의 표면적 (1.54 cm2), n 은 분자당 산화된 전자의 수 (1), T 는 측정 온도 (308 K), C 는 결정 중의 Li+의 몰농도 (0.189 mol/cm3), F 는 Faraday 상수 (96,500 C·mol−1), 그리고 σ 는 Z′와 w−1/2에 관련된 Warburg 임피던스 계수 (Ωs−0.5) 이다.
Table 2는 각각의 시료들을 Warburg 임피던스 계수, 전 기화학적인 인자들 (Electrochemical parameters) 과 전극 에 대한 리튬이온의 확산계수 값을 나타내었다. Nyquist plot에 대한 피팅은 등가회로(Equivalent circuit)를 이용하 였으며, Fresh cell은 한 개의 회로로 그리고 600 cycling 후 시료들에 대해서는 두 개의 회로로 구성하여 시행하였다. 여 기서 Rs는 ohmic 저항, Rct는 전하전달 (charge-transfer) 에 기인한 저항, RSEI는 SEI 층 형성에 기인한 저항, Q 는 CPE(constant phase element) 에 기인한 저항, ZW는 Warburg 저항을 각각 나타낸 것이다. 전체 시료들 중, 900
◦C에서 2차 열처리된 시료 (WCP-2와 WCP-5) 에서 각 저 항 성분 값이 낮음을 알 수 있다. 특히 WCP는 Fresh cell 의 확산계수를 계산했을 때 WCP-5가 WCP-4와 6에 비해 약 1.2배 정도 더 높게 나타남을 알 수 있었고, 600 사이클 충방전 한 후 WCP-5이 WCP-4에 비해 약 7배, WCP-6 에 비해 약 2.1배 더 높게 나타났다. WCP-5의 경우 전기 전도성이 다른 시료와 비교하여 높기 때문에 전류밀도가 높아 확산계수가 다른 시료보다 높게 나타남을 확인할 수 있다.
IV. 결 론
본 연구에서는 폐 커피분말을 이용하여 리튬이차전지의 음극 활물질 재료로 사용하였다. 폐 커피분말을 탄화하여 리 튬 이온의 전도 특성을 향상하고자 하였다. 또한 폐 커피분 말에 잔류 유기물과 불순물을 제거하여 다공성 활성탄소의 전기화학적인 특성을 높이고자 하였다. 다공성 활성탄소를 얻기 위해 다양한 열처리와 KOH를 이용한 화학적 처리를 시행하여 기공의 생성 및 증가되었으며 표면적이 크게 증 가하였다. WCP-5는 기공 크기와 비표면적은 각각 0.102 cc/g와 99.1 m2/g로 측정되었다. 전류 1 A/g의 초기용량 303 mAh/g과 1000 사이클에서 99.5% 이상의 우수한 쿨롱 효율을 나타내었다. 충방전 실험을 600 사이클 시행한 후 확산계수는 6.9× 10−7 cm2/s로 WCP-4에 비해 약 33배 더 높게 나타났다. 우수한 전기화학적인 특성을 보인 폐 커피 분말은 기존 흑연을 대체할 수 있는 음극 활물질로 사용되기를 기대해 본다.
감사의 글
이 논문은 부산대학교 기본연구지원사업 (2년) 에 의하여 연구되었습니다.
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