Highly Conductive TiN Coating of Si Nanocomposite for Li-ion Batteries

Abstract

최근 Mobile IT 기기의 급격한 성장과 함께 각광을 받고 있는 리튬이차전지는 향후 전기자동차, 중대형 에너지저장 시스템 등으로 그 응용 분야를 확대할 것으로 예상된다. 이러한 응용 분야 및 시장 확대를 뒷받침하기 위해서는 고용량화가 필수적이며, 기존의 탄소계 음극을 대체할 수 있는 Si계 음극에 대해 많은 연구가 이루어지고 있다. 특히, Si계 음극의 단점인 수명 열화 문제를 해결하기 위해 Si의 부피 팽창/수축을 완화시키고 Si 음극의 전도성 네트워크를 유지할 수 있는 전도성 완충상을 적용한 복합 음극 구조에 대해 연구가 집중되고 있다.본 연구에서는 Si 음극의 성능 향상을 위한 전도성 완충상으로서전기전도성이 높으면서 리튬과 전기화학적으로 반응하지 않는TiN을 도입하고자 하였다. TiN에 대해서는 기존에 고에너지 밀링,습식 합성 등의 방법으로 Si과 복합화한 연구들이 있었다. 하지만,기존 복합 구조에서는 Si과 TiN의 균일한 복합화와 원활한 충방전 반응을 위한 전자/이온 전도 네트워크 형성이 어려워서 기존 흑연 음극을 뛰어넘는 용량 및 수명 특성을 보여주지 못했다. Si과 TiN의 균일한 복합화를 위해 본 연구에서는 크게 두 가지 방법으로 Si과 TiN을 복합화하였다. 먼저, Si과 Ti 분말의 고에너지 밀링을 통해서 비정질의 TiSi2를 형성하고, 이를 NH3분위기에서 열처리하여 Si, TiN 등이 복합화된 구조를 얻고자 하였다. 다음으로, TiSi2를 출발 물질로 사용하여 한 번의 열처리에 의해 Si, TiN, TiSi2가 복합화된 구조를 얻고자 하였다. Si과 Ti 분말의 고에너지 밀링 및 열처리에 의한 복합 구조에서는 다양한 조성과 구조 제어 방법을 시도했지만, 의도했던 TiSi2의 형성 반응 및 Si과 TiN으로의 상분리 반응이 충분히 일어나지 않아 Si과 TiN의 균일한 복합화가 이루어지지 않았다. 이로 인해 TiN에 의한 전도성 완충상 효과가 제대로 발현되지 않았으며, 기존의 Si과 TiN을 직접 복합화한 음극에 비해 수명 특성이 개선되지 않았다. TiSi2분말을 출발 물질로서 사용한 경우에는 출발 물질의 입경 및 열처리 조건의 조절을 통해 TiSi2/Si/TiN의 3중층 복합구조를 형성할 수 있었다. TiN이 Si 표면에 아일랜드 타입의 코팅층을 형성함으로써 Si의 부피 팽창/수축을 완화시키고 Si 음극의 전도성 네트워크를 유지할 수 있는 전도성 완충상의 역할을 하여 수명 특성이 개선되는 결과를 얻을 수 있었다. TiSi2의 열처리에 의한 TiSi2/Si/TiN복합 음극은 합성 공정이 간단하고, Si-탄소계 복합 음극에 비해 전극 밀도를 높일 수 있는 장점이 있기 때문에 실제 전지에 적용할 수 있는 활물질로 개발할 수 있을 것으로 기대된다.