리튬이온배터리(LIBs)는 높은 에너지 밀도 수준, 고전압 성능, 경량화된 조성으로 인해 강점이 크다. LIBs에서 가장 널리 사용되는 양극(Anode) 소재 중 하나는 흑연(graphite)이며, 흑연은 높은 전기 전도성, 양호한 열 전도성, 전기화학적 안정성을 보이고 자연 형태 또는 인공 형태로 존재할 수 있다. 본 연구에서는 탄소 구조에 대한 열처리 온도의 영향을 고려하여, LIB 시스템에서 탄소 양극의 충전/방전 특성과 용량 유지율(capacity retention rate)을 조사하였다. 먼저 탄소 양극은 석유 연료유(petroleum fuel oil, PFO)를 국내 정유 공장에서 440 ℃에서 1시간 열처리하여 탄소 전구체(4401P)를 제조한 후, 피치(pitch)를 1,000~2,400 ℃ 범위의 온도에서 열처리함으로써 합성하였다. PFO 기반 피치는 1,000~1,700 ℃ 범위에서는 연질 탄소(soft carbon)로 탄화(carbonized)되었으나, 2,100~2,400 ℃ 범위에서는 흑연화(graphitized)되었다. 다음으로, 준비된 PFO 기반 탄소 양극의 구조적 특성은 서로 다른 충전 C-rate에서 Li-ion의 삽입/탈삽입(Li-ion intercalation/de-intercalation)을 조사하기 위해 ex-situ XRD 패턴으로 분석하였다. 1,200 ℃에서 제조된 탄화 양극은 비정질(amorphous) 구조와 표면의 캐비티(cavities)를 나타내었다. 대부분의 리튬 이온이 캐비티와 결함(defects)에 보존되었기 때문에 구조 변화가 작았으며, 그 결과 탄화 양극의 방전 용량은 0.1 C에서 20 C로 갈 때 13 % 감소하였다. 반면, 2,400 ℃에서 제조된 흑연화 양극의 방전 용량은 흑연화 양극의 서로 다른 구조적 거동으로 인해 0.1 C에서 20 C로 갈 때 40 % 감소하였다. 흑연화 양극은 0.1 C에서 흑연(graphite) 층 사이에 91 %의 리튬 이온이 삽입되는 층간(interlayer) 구조를 형성하였으며, 그로 인해 적층 두께(stack thickness)는 286.96 Å에서 346.28 Å로 확장된 반면, 20 C에서는 흑연화 양극의 구조가 변화하지 않았다. 또한 서로 다른 열처리 온도를 가진 탄소 양극의 사이클 유지율은 1 C에서 100 사이클 기준으로 확인되었다. 1,200 ℃에서 제조된 탄화 양극과 2,400 ℃에서 제조된 흑연화 양극은 각각 73 %와 90 %의 사이클 유지 성능을 보였으며, 이는 흑연화 양극의 높은 안정성을 나타낸다.

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