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리튬 이온 배터리의 전기화학적 특성 향상을 위한 금속-실리콘 복합제 음극재의 합성

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Authors
권성우
Advisor
홍성현
Major
공과대학 재료공학부
Issue Date
2018-08
Publisher
서울대학교 대학원
Description
학위논문 (석사)-- 서울대학교 대학원 : 공과대학 재료공학부, 2018. 8. 홍성현.
Abstract
휴대용 전자 기기, 전기 차, 재생 가능한 에너지 저장 장치의 수요가 높아짐에 따라, 이에 필수적으로 사용되는 리튬 이차 전지와 관련하여 높은 에너지 밀도와 용량, 안정적인 수명 특성을 얻기 위한 연구가 많이 진행되고 있다. 현재 상용화되어 있는 흑연은 재료 자체의 낮은 이론 용량 (372 mAh g-1) 때문에 고 용량, 고출력 배터리 적용에 만족할 만한 성능을 보일 수 없다는 한계를 갖고 있다.

이에 따라 실리콘 (Si), 게르마늄 (Ge) 과 같이 alloying mechanism을 통해 리튬과 반응하는 물질들이 높은 이론 용량으로 인해 리튬 이차 전지의 음극재로 주목 받고 있다. 이 중 Si는 연구된 바 있는 리튬 이차 전지의 음극재 중 가장 높은 이론 용량 (3579 mAh g-1) 을 갖고 있을 뿐만 아니라 상대적으로 낮은 반응 전위 (~0.4 V vs. Li+/Li), 친환경적이고 많은 양이 매장되어 있다는 장점을 갖고 있다. 이러한 장점 들에도 불구하고, Si 기반의 리튬 이차 전지용 음극재는 리튬과의 반응 도중 300 %에 달하는 부피 팽창과 solid electrolyte interphase (SEI) layer의 불안정성을 보인다. 이는 낮은 수명 특성 과 전기 전도도로 이어져 Si 기반의 리튬 이차 전지용 음극재는 상업적 적용에 적합하지 않다.

위와 같은 Si 기반 음극재의 문제를 해결하기 위한 다양한 방법들이 제안된 바 있다. 나노 분말, 나노 와이어 그리고 나노 튜브 등의 Si 나노 구조 등이 설계되어 보고되었다. 이는 Si의 나노화를 통하여 Si의 부피팽창으로 인한 fracture를 줄일 수 있을 뿐만 아니라 리튬과의 반응 도중 Si의 kinetic을 가속할 수 있기 때문이다. 다양한 Si의 구조 중, 3차원 다공성 Si구조 기반 음극재는 균일한 동공과 두께를 조절할 수 있다는 특성으로 인해 Si의 부피 팽창을 수용할 수 있고 리튬 이온의 확산 경로를 짧게 할 수 있다는 장점을 갖고 있으며, 결과적으로 해당 음극재의 수명 특성 및 고 전류 특성이 향상될 수 있다. 3차원 다공성 Si를 합성하기 위한 다양한 방법들이 보고된 바 있으며, 대표적으로 metal-assisted chemical etching (MACE) 법과 magnesiothermic reduction 법이 있다.

Si의 과다한 양의 SEI layer의 형성을 제어하기 위해서 Si 기반 물질과 전해액의 접촉을 제어하는 방법을 주로 사용한다. 카본 코팅 또는 복합제는 음극재의 전기전도도를 향상시킬 뿐만 아니라 전해액과의 접촉을 막아 과다 SEI layer의 형성을 제한한다. 하지만, 카본 코팅된 Si 음극재 또는 Si-카본 복합제 음극재의 카본 물질은 리튬과의 반응에 참여하여 cycling 중에 리튬 이온이 amorphous carbon에 갇혀 낮은 초기 효율을 보인다는 문제점을 갖고 있다. Si-metal alloy는 이러한 문제를 해결하기 위하여 inactive layer를 Si 기반 음극재에 도입하였다. Inactive한 합금을 Si 기반 음극재에 적용하는 것은 Si의 부피 팽창을 억제하고, 전기전도도를 향상 시키는 데 도움을 준다. Milling, 환원법, arc melting, spray drying 등등의 다양한 방법들이 이미 이러한 문제를 해결하기 위한 방법들로 적용된 바 있다.

이번 연구에서 우리는 다공성 Si와 구리 (Cu)의 복합제를 합성하였다. 다공성 Si는 각각 마이크로 크기 Si에 MACE 법을 적용하고, SiO2 구체에 magnesiothermic reduction 법을 적용하여 합성하였다. MACE법으로 합성한 다공성 Si는 높은 tap density와 그 크기로 인하여 높은 초기 효율을 보이며, magnesiothermic reduction 법으로 합성한 다공성 Si는 meso-porosity로 인하여 Si와 Cu가 균일하게 분포되어 있는 특성을 띈다. 졸겔법과 무전해 도금법이 Si-Cu 복합제의 형성을 위하여 활용되었다. 졸겔법이 Cu 입자를 Si에 합성 시키는데 가장 쉬운 방법 중 하나라면, 무전해 도금법은 Pd activation sites로 인하여 Cu가 균일하게 분포될 수 있도록 해준다. 위와 같은 방법으로 합성된 다공성 Si-Cu 복합제는 높은 초기 효율, 고 전류 특성 및 수명 특성을 보인다. MACE법으로 합성한 Si에 Cu를 더한 복합제 음극재는 100 mA g-1의 전류에서 100 사이클 동안 1500 mAh g-1이상의 용량을 보이며, magnesiothermic reduction법으로 합성한 Si에 Cu를 더한 복합제 음극재는 1000 mA g-1의 전류에서 200 사이클 동안 1568 mAh g-1 이상의 용량을 보였다.
Language
Korean
URI
https://hdl.handle.net/10371/144448
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Appears in Collections:
College of Engineering/Engineering Practice School (공과대학/대학원)Dept. of Material Science and Engineering (재료공학부) Theses (Master's Degree_재료공학부)
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