리튬이온 배터리 실리콘 산화물 음극 활물질의 수명특성과 효율에서의 금속 도핑 효과

Abstract

실리콘 산화물 (SiOx, x ≈ 1)은 기존 흑연에 비해 높은 이론용량을 가지고 있어 차세대 리튬이온 이차전지 음극재로써 각광받고 있는 물질이다. 하지만 이러한 큰 용량에도 불구하고 기존 흑연에 비해 낮은 초기 충·방전 효율은 상용화하는데 큰 걸림돌이 되고 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위해서, 본 연구에서는 물리 증기 증착법(Physical Vapor Deposition, PVD)를 통해 대량으로 마그네슘을 도핑한 새로운 물질의 합성을 성공적으로 해냈다. 마그네슘은 실리콘 산화물과 반응해 실리콘과 전기화학적으로 반응하지 않는 마그네슘실리케이트를 만들어 초기 충·방전 효율을 증가시킨다. 또한, 마그네슘 도핑 구성은 수명 특성과 전기전도성을 향상하게 하는 데 중요한 역할을 한다. 본 연구는 전극부터 입자 내부까지의 다중 스케일 분석을 통해 충·방전 시 일어나는 실리콘 산화물 입자 내부의 형태 변화와 수명 특성과 연관이 있는지 통찰하였다. 마그네슘의 도핑 함량에 따라 실리콘 도메인 크기가 초기 및 충·방전 후 상태에 영향을 끼친 것으로 확인됐다. 이 연구를 통해 마그네슘이 8% 함유된 샘플에서 용량, 효율, 그리고 수명 특성에 있어서 가장 좋은 균형성을 가지고 있는 것을 확인했다. 특정한 마그네슘실리케이트 상이 많은 충·방전을 거쳤을 때, 다른 상과 균일하게 섞이는 모습이 관찰됐다. 이 결과로 실리콘 도메인의 크기가 작아짐에 따라 수명 특성이 다른 배치보다 월등하다는 것을 보였다. 이러한 연구는 실리콘 산화물을 효율을 높이려 다른 금속을 첨가하여 합금(alloy)을 만들 때, 적절한 조합이 최상의 성능을 보여주고 있음을 시사한다.