탄소 전구체 종류 및 증착 온도에 따른 실리콘 산화물/탄소 복합체의 물성 변화 비교

초록

최근 전기자동차(Electric Vehicle; EV) 및 에너지 저장 장치(Energy Storage System; ESS) 등에 활용 가능한 중대형 전지의 수요가 지속적으로 증가함에 따라 차세대 고용량 음극 소재로 이론 용량이 높은 실리콘(4,200 mAh g-1)이 주목받고 있다. 하지만, 실리콘은 낮은 전기전도도 및 충방전 과정에서 발생하는 부피 팽창(~400 %)으로 인하여 전해질의 지속적인 소모를 유발하고, 급격한 용량 감소 등 배터리 성능이 쉽게 열화 되어 탄소 계 음극을 대체하지 못하고 있다. 현재, 안정적인 SEI 층을 형성하여 전기전도도를 높이고, 부피 팽창을 억제하고자 실리콘 계 음극 소재 표면에 탄소 층을 코팅하는 연구들이 보고되고 있지만, 탄소 전구체 증착 온도에 따라 달라지는 탄소 코팅 층의 물성 평가에 대해서는 연구가 미흡한 상황이다. 본 연구에서는 실리콘-탄소 복합 소재를 제조하는 방법 중 대량 생산에 적합한 화학기상증착법(Chemical Vapor Deposition; CVD)을 통해 실리콘 산화물(SiOx) 표면에 탄소 층을 증착시켰다. 탄소 전구체 종류에 따른 탄소 코팅 층의 형상, 두께, 결정성 등 물성 변화를 비교하고자 메탄과 아세틸렌을 이용하였으며, 물성 평가를 기반으로 증착 온도를 다르게 하여 탄소 코팅 공정을 최적화하였다. 투과전자현미경(TEM)을 통해 탄소 코팅 층의 형상 및 두께를 분석하였으며, X-Ray 회절 장비(XRD)와 라만 분광기(Raman)를 통해 탄소 코팅 층의 성분 및 결정성을 분석하였다. 또한, 리튬 이온 전지 음극 half-cell을 제작하여 실리콘 계 음극재로의 전기화학적 성능 평가를 진행하였다.