Effect of Preparation Conditions of PAN-based Carbon Fibers on Electrochemical Characteristics of Rechargeable Lithium ion Battery Anode

PAN계 탄소섬유 제조조건에 따른 리튬이온 이차전지 음극의 전기화학적 특성

Poly-acrylonitrile (PAN) based carbon fibers were stabilized under various tensions in the presence of air at about $200^{\circ}C$ and sequentially carbonized under some different gas environments in the range of 700 to $1500^{\circ}C$. The prepared carbon fibers were used for rechargeable lithium ion battery anode to investigate preparation parameters effects on electrochemical characteristics. It was found that the tension during stabilization, carbonization temperature and gas atmospheres affect the carbon fiber properties such as conductivity, mechanical strength, surface morphology and diffusion coefficient of lithium ion, which are closely related to the on electrolchemical properties as well as the charge/discharge characteristics.

Polyacrylonitrile(PAN)섬유를 원료로 여러 가지 조건하에서 탄소섬유를 제조하여 리튬이온 이차전지 음극 활물질로 사용하여, 전지의 충$\cdot$방전 특성과 전기화학적 특성을 고찰하였다. 음극활물질 제조에 있어서 고려한 주요한 변수들은 탄화 열처리 온도(HTT : heat treatment temperature), 탄화시의 가스분위기와 안정화(stabilization)시 섬유 축방향으로 가해주는 장력이며, 제조된 탄소섬유의 물성 및 전기적 특성 역시 조사하였다. 본 연구에서 사용한 열처리 온도 범위는 $700^{\circ}C\~1500^{\circ}C$로서, 처리온도가 상승 할 수록 전도성은 비례하여 향상되었으나, 900"C 범위는 아직 낮은 전도성을 보였다. 또한 처리온도 증가에 따라 충 방전효율은 증가하는 반면, 충 방전용량은 감소되는 경향을 보였다. 그리고 탄화시의 가스 분위기에 따라서 제조되는 음극활물질의 전지특성에 영향을 받았다. 특히, 다른 가스 분위기 하에서 제조된 PAN계 전극들의 측정된 리튬이온의 확산계수 값은 전지의 충$\cdot$방전 특성과 일치하는 결과를 보였다. 탄화시 서로 다른 가스분위기에서 탄소섬유 표면상에 형성된 다양한 기능기그룹(surface functional group)들이 리튬이온과의 비가역적 반응이 진행되는 사실을 간접적으로 확인하게 해준다. 산화분위기에서의 안정화시의 PAN섬유에 가해지는 장력은 가교 결합 중에 형성되는 분자의 배향을 유지시켜 주는 역할을 하는데, 안정화처리 후에도 섬유의 길이변화가 없는 장력조건 (fixed-length condition)에서 충 방전효율 및 용량과 사이클 안정성이 우수한 것으로 나타났다.