Ti에 관한 연구

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 4851(2022) 이 기사 인용

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측정항목 세부정보

많은 전이금속 산화물 중에서 Fe3O4 양극 기반 리튬 이온 배터리(LIB)는 높은 에너지와 고용량으로 인해 잘 연구되어 왔습니다. 철분은 원소가 풍부하고 상대적으로 환경친화적이며 독성이 낮은 것으로 알려져 있습니다. 그러나 Fe3O4 기반 LIB는 충전-방전 과정에서 사이클링 성능에 영향을 미치는 입자 응집 문제를 겪습니다. 본 연구에서는 철 응집과 재료 성능이 도펀트 선택에 의해 영향을 받을 수 있다고 추측하고, 0.2% Ti로 도핑된 Fe3O4 나노입자를 통해 개선을 모색하고 있습니다. 전기화학적 측정은 Ti가 도핑된 Fe3O4에서 최소 100사이클 동안 0.1C 속도에서 450mAh g−1의 안정적인 비용량을 보여줍니다. Ti 도핑된 Fe3O4의 방전 용량 안정성은 우수한 전자 전도성과 미세 구조 및 결정 구조의 안정성으로 인해 달성되며, 이는 밀도 함수 이론(DFT) 계산을 통해 추가로 확인되었습니다. 임피던스 스펙트럼을 기반으로 한 DFRT(이완 시간의 상세한 분포 함수) 분석은 두 Fe 사이트 근처의 전자 밀도 차이와 밀접한 관련이 있는 두 가지 유형의 Li 이온 수송 현상을 나타냅니다. Ti 도핑된 Fe3O4에 대해 DFRT를 사용한 EIS 측정에 대한 자세한 분석은 중간 리튬화 단계와 함께 전극과 Li 금속 사이의 계면 전하 이동 프로세스의 개선이 전기화학적 성능을 향상시키는 데 도움이 된다는 것을 나타냅니다.

충전식 리튬 이온 배터리(LIB)는 높은 에너지 효율, 메모리 효과 부족, 긴 사이클 수명, 높은 에너지 및 높은 전력 밀도1,2,3 등 뛰어난 특성으로 인해 지속적인 주목을 받아 왔습니다. 이는 휴대용 전자 장치, 하이브리드 전기 자동차(HEV) 및 플러그인 하이브리드 전기 자동차(PHEV)4,5의 주요 전원으로 간주되어 왔습니다. 흑연은 충방전 과정에서 리튬이 삽입/탈출되는 층상 구조로 인해 LIB의 음극 소재로 널리 사용되어 왔으며, 이론 비용량은 372mAh g−1입니다. 그러나 상대적으로 낮은 가역 용량과 더 높은 속도에서의 열악한 사이클 안정성으로 인해 애플리케이션이 높은 에너지와 높은 전력 밀도를 충족해야 하는 HEV 및 PHEV5에서의 사용이 제한됩니다.

흑연에 대한 가능한 대체품을 찾기 위해 NiO6,7, Fe3O48,9, Fe2O310,11,12, SnO213, Co3O414 및 CuO15와 같은 전이 금속 산화물이 충전 중에 과잉 Li+-이온을 흡입할 수 있는 능력 때문에 연구되었습니다. 높은 이론적 용량(~700~1000mAh g−1)을 유도하는 방전 공정. 이러한 금속 산화물 중에서 Fe3O4 양극 기반 LIB는 높은 에너지, 고용량, 환경 적합성 및 풍부한 원소로 인해 잘 조사되었습니다. 불행하게도 Fe3O4 기반 LIB는 충전-방전 과정에서 사이클링 성능에 영향을 미치는 입자 응집으로 인해 어려움을 겪습니다. 여러 번의 충방전 주기 후에 전극의 구조를 유지하기 어렵다는 것이 잘 알려져 있습니다. 따라서 시트18, 구형19, 나노튜브20, 탄소섬유21 등 다양한 형태의 탄소로 개질된 Fe3O4 나노입자를 사용하여 사이클 수명과 속도 용량을 안정화하기 위한 광범위한 연구가 수행되었습니다. LIB의 양극 재료인 그래핀 기반 Fe3O4 나노복합체는 1C 속도에서 100회 사이클 후 5%의 용량 손실로 전기화학적 특성이 향상되었습니다22. 반면에, 향상된 전기화학적 성능을 보이는 Fe3O4에 대한 제3원소 도핑의 효과에 대한 보고는 상대적으로 드물다. 주목할만한 예는 Fe3O4 기반 Fe3O4/Cu 나노복합체로, 300mAh g−123에서 최대 500사이클까지 높은 사이클 가역성 성능을 보여줍니다.