Synthesis and Characterization of Metal Oxide-Graphene Nanocomposites as Electrode Materials for Sodium-Ion Batteries

Abstract

In chapter I, efficient electrode material of Na-V2O5-reduced graphene oxide (rG-O) nanocomposite is synthesized by the restacking of anionic component nanosheets with Na+ ions at room temperature. The restacked Na-V2O5-rG-O nanocomposite shows layer-by-layer-ordered structure of V2O5/rG-O nanosheets and Na+ ions with mesoporous stacking structure and expanded surface area. Upon the restacking with rG-O, the pentavalent V5+ oxidation state and layered lattice of vanadium oxide nanosheet remain unchanged. The composite formation with rG-O leads to a significant enhancement of the discharge capacity from ~50 to ~150 mAh/g as cathode material for Na-ion batteries, underscoring the usefulness of restacking between metal oxide and rG-O nanosheets in exploring novel nanocomposite electrode materials. In chapter II, an efficient way to improve the Na-ion electrode activity of graphene-based nanocomposite is developed by employing exfoliated metal oxide nanosheet as an additive. The titanate nanosheet-incorporated Na-SnS2-reduced graphene oxide (rG-O) nanocomposites with tunable compositions can be synthesized by the electrostatically-derived restacking of the negatively-charged colloidal nanosheets of SnS2, rG-O, and titanate with Na+ cations. The incorporation of titanate nanosheet into the Na-SnS2-rG-O nanocomposites is effective in improving the nanoscale mixing of component nanosheets and the porosity of the composite structure. The resulting Na-SnS2-rG-O-titanate nanocomposites deliver greater discharge capacities and better rate properties as anode materials for Na ion batteries than does titanate-free nanocomposite. The universal applicability of the present strategy is further confirmed by the notable enhancement of the electrode functonality of MoS2-rG-O nanocomposite upon the addition of titanate nanosheet. This study highlights that the exfoliated metal oxide nanosheet can be used as an efficient and universal additive for graphene-based nanocomposites to explore Na ion electrode materials.;제 1장에서는, 나트륨 전지의 양극재로 사용되는 오산화바나듐의 전극 성능 향상을 위하여, 오산화바나듐 나노시트와 그래핀 나노시트를 혼성화하는 연구를 진행하였다. 오산화바나듐은 저렴하지만 전도성이 낮고 전지 내 반응 시 구조변화가 비가역적어서 사이클 안정성이 낮다는 단점이 있으므로, 이를 그래핀과 같은 높은 전도도를 가지는 물질과의 혼성화를 통해 극복하고자 했다. 오산화바나듐 나노시트와 그래핀 나노시트의 콜로이드는 모두 표면 전하가 음의 값이며, 비슷한 2차원 형태를 가지므로 콜로이드를 섞을 경우 균일한 혼합 용액을 형성할 수 있다. 이 혼합 용액에 나트륨 양이온(Na+)을 첨가하면 이를 매개로 하여 상온에서도 쉽게 나노 혼성체 합성이 가능하다. 이렇게 합성한 Na-V2O5-rG-O 나노 혼성체는 그래핀과 혼성화 이전 물질보다 전극 물질의 전도성을 높이고, 반응 표면적을 넓히면서 나트륨 이온 전극으로 적용시 용량을 3배 가량 향상된 결과를 보였다. 제 2장에서는 나트륨 이온 전지 전극 물질의 성능 향상을 위해 금속산화물 나노시트를 소량의 첨가제로 사용한 그래핀 기반의 나노 혼성체 합성 방법에 대해 제시하였다. 그래핀 기반의 나노 혼성체에 금속산화물 나노시트를 소량 첨가하는 것은 그래핀 시트 간 결합을 약화시키고 재결합을 방지함으로써 전극 물질이 반응할 수 있는 표면적을 넓혀 효과적으로 전해질이 접근 가능하므로 전극 물질의 성능을 향상시킬 수 있다. 본 연구에서는 1장에서와 같이 황화주석, 그래핀, 티탄산화물 나노시트와 같이 비슷한 표면전하와 형태를 가지는 나노시트 콜로이드들의 혼합용액에 나트륨 양이온(Na+)을 첨가하는 이온 재적층법을 통해 Na-SnS2-rG-O-TiO2 나노혼성체를 합성하였다. 나노 혼성체 합성 시 티탄산화물 나노시트를 그래핀 질량 대비 1%, 2.5%, 5% 첨가하였고, 합성한 혼성체를 나트륨 전극 물질로 적용하였을 때, 티탄산화물 나노시트를 2.5% 첨가한 물질이 미첨가 물질 대비 15%의 가장 높은 전극 물질의 성능 향상을 보임을 확인하였다. 이와 같은 금속산화물 나노시트 첨가를 통한 나트륨 전극 물질의 성능 향상은 황화주석이나 티탄산화물 외에 다른 금속 칼코겐화물과 금속산화물 나노시트 조합으로 합성한 나노 혼성체도 적용 가능하며, 이는 같은 방법으로 합성한 Na-MoS2-rG-O-TiO2 나노 혼성체 실험결과를 통해서도 확인하였다.