방전 전압에 따른 탄소가 코팅된 일산화규소 음극의 전기화학 특성 연구

Abstract

모바일폰, 랩톱 등에 사용되는 소형전지에서 전기자동차, 에너지저장장치 등에 사용되는 대형전지로 리튬이온전지 시장이 성장함에 따라 전지 소재에 대한 다양한 기준이 요구되고 있다. 그중, 전지의 에너지 밀도를 높이기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다. 규소계 음극은 기존에 사용되고 있는 탄소계 음극에 비해 약 10배의 이론 용량을 발현할 수 있어 차세대 음극으로 주목받고 있다. 하지만 충·방전 과정에서 활물질의 부피 변화로 인해 사이클 성능이 빠르게 퇴화하는 단점이 있다. 이러한 문제를 해결하기 위한 방법 중 하나로 일산화규소 음극에 대한 연구가 진행되고 있다. 일산화규소 음극은 첫 번째 사이클 충전 과정에서 리튬 이온과 반응하여 비가역 생성물인 규산 리튬과 산화 리튬을 생성한다. 이 비가역 생성물들이 충·방전 과정에서 활물질의 부피 변화를 완화시켜 규소 음극에 비해 우수한 사이클 성능을 나타내지만 상용화된 흑연 음극의 사이클 성능 수준에 이르기 위해서는 개선이 필요하다. 따라서 본 논문에서는 탄소가 코팅된 일산화규소 음극의 사이클 성능을 향상시키기 위해 방전 전압을 조절하였다. 충전 전압을 동일하게 설정한 후 방전 전압을 0.7 V, 1.0 V (vs. Li/Li+)로 설정하여 각각의 전기화학 특성과 사이클 성능에 미치는 영향을 분석하였다. 탄소가 코팅된 일산화규소 음극은 충·방전 과정 동안 활물질의 부피 변화로 인해 활물질에 균열이 발생한다. 이로 인해, 활물질의 크기가 감소하여 리튬 이온의 이동이 용이해지고 전하전달 저항이 감소한다. 그 결과, 충전 과정 말단에서 결정질 합금상이 생성된다. 하지만 사이클이 진행되면서 활물질의 균열이 더욱 심하게 발생하여 활물질과 활물질, 활물질과 도전재 사이의 전기전도성이 낮아진다. 이로 인해 전하전달 저항이 증가하고 사이클 성능이 빠르게 퇴화한다. 반면, 방전 전압을 낮추면 활물질의 부피 변화가 완화된다. 그 결과 활물질의 균열이 완화되어 충전 시 결정질 합금상의 생성이 늦게 일어난다. 활물질 균열의 완화로 인해 사이클이 진행되면서 활물질과 활물질, 활물질과 도전재 간의 전기전도성이 비교적 잘 유지된다. 이러한 효과로 인해 방전 전압을 낮춤으로써 일산화규소 음극의 사이클 성능을 향상시킬 수 있다.