Elucidating Hydride-Driven Multiphase Reduction for Tunable Alloying Anode Structures in Lithium-Ion Batteries
리튬 이온 배터리용 합금화 음극 구조 조절을 위한 수소화물 기반 다상 환원 메커니즘 규명
- 주제(키워드) Hydride-mediated Reduction , Multiphasic Reduction , Bulk Germanium Anodes , Lithium-Ion Batteries
- 발행기관 서강대학교 일반대학원
- 지도교수 류재건
- 발행년도 2026
- 학위수여년월 2026. 2
- 학위명 석사
- 학과 및 전공 일반대학원 화공생명공학과
- 실제URI http://www.dcollection.net/handler/sogang/000000082321
- UCI I804:11029-000000082321
- 본문언어 영어
- 저작권 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
초록(요약문)
Germanium (Ge) is regarded as a promising alloying anode due to its high theoretical capacity combined with intrinsically superior ionic and electronic conductivities. However, its practical application is hindered by the high material cost and the substantial volume expansion that occurs during lithiation. Herein, a sodium hydride (NaH)-driven multiphasic reduction strategy is employed to synthesize micrometre sized Ge featuring a tailored porous and hybrid nanocrystalline–amorphous architecture, which distinctly forms under off- stoichiometric reduction conditions. Through elucidation of the underlying multiphasic reaction pathways, this structural evolution is shown to arise from the dual functions of NaH decomposition, wherein hydrogen modulates porosity and crystallinity while metallic Na serves as the primary reducing species for germanium dioxide (GeO2). This synthesized Ge demonstrates remarkable reversibility and exceptional cycling stability even under high current densities compared to commercial Ge microparticles, while maintaining electrode integrity throughout cycling. These findings provide mechanistic insights into expanding NaH-driven reduction chemistry beyond GeO2 to a broader range of metal oxides, thereby offering the way for the development of high-capacity anodes.
more초록(요약문)
게르마늄(Ge)은 높은 이론 용량과 우수한 이온 및 전자 전도도를 동시에 갖는 합금형 음극 소재로 주목받고 있다. 그러나 높은 소재 비용과 리튬 삽입 과정에서 발생하는 큰 부피 팽창으로 인해 실제 적용에는 한계가 존재한다. 본 연구에서는 sodium hydride (NaH)를 이용한 다상 환원 전략을 적용하여, 비화학량론적 환원 조건에서 미크론 크기의 다공성 구조와 나노결정–비정질 혼합 구조를 동시에 갖는 Ge를 합성하였다. 다상 반응 경로에 대한 체계적인 분석을 통해, 이러한 구조적 진화는 NaH 분해 과정에서 나타나는 이중적 역할에 기인함을 규명하였다. 즉, 수소는 기공 형성과 결정성 조절을 담당하고, 생성된 금속 나트륨은 germanium dioxide (GeO2)의 주 환원제로 작용한다. 본 연구에서 합성된 Ge 음극은 상용 Ge 입자 대비 높은 전류 밀도 조건에서도 우수한 가역성과 탁월한 사이클 안정성을 나타내었으며, 반복 충방전 과정에서도 전극 구조를 안정성으로 유지하였다. 이러한 결과는 NaH 기반 환원 화학의 반응 메커니즘에 대한 중요한 통찰을 제공하며, GeO2를 넘어 다양한 금속 산화물로의 확장 가능성을 제시함으로써 고용량 음극 소재 개발을 위한 새로운 접근법을 제안한다.
more목차
List of Figures iv
Abstract 1
1. Introduction 3
2. Experimental Section 7
2.1. Materials 7
2.2. Synthesis of GN Samples 7
2.3. Material Characterization 8
2.4. Electrochemical Measurement 8
2.5. Pouch-type Full Cell Fabrication 10
3. Results and Discussion 11
3.1. Phase and Morphological Characterization of GN
Samples 11
3.2. Structural Characterizations of GN12 and GN13
samples 16
3.3. Mechanism of NaH-mediated Reduction of GeO2
21
3.4. Electrochemical Performance of GN Sample
Electrodes 30
3.5. Electrode Structural and Interfacial Stability During
Cycling 36
3.6. Electrochemical Performance of Full-Cells 42
4. Conclusion 46
Reference 47
국문 초록 50
