리튬 이차전지 음극용 Si-Al-Ni-(M1, 2, 3) 합금 분말 소재의 전기화학적 특성에 관한 연구

초록

아토마이징 공정을 이용하여 리튬 이차전지 음극용 실리콘 합금 분말을 제조하고 전기화학적 특성을 평가하였다. 실리콘 합금 조성 설계는 실리콘 입자의 부피 팽창 제어를 위해 리튬과 반응하지 않는 전도성 금속 원소를 첨가하여 Silicide를 형성하고, 형성된 Silicide matrix를 이용하여 실리콘의 부피팽창을 제어하였다. Si-Al-Ni-M1으로 구성된 4성분계 조성의 경우 초기 가역용량과 효율에 서는 좋은 특성을 보이지만 사이클 경과에 수반하여 용량 저하가 일어나 양호한 사이클 수명 안정성을 확보할 수 없었다. 이는 분말 내부의 실리콘상의 부피 변화를 주변 Silicide matrix상이 충분히 완충 역할을 하지 못하였기 때문이다. 본 연구에서는 실리콘 합금 음극재의 실용화를 위해 Silicide matrix상이 실리콘상의 grain size 감소와 부피 팽창을 충분히 완충할 수 있게 미세조직을 설계하였다. FE-SEM 분석결과 4성분계 실리콘 합금 조성의 실리콘 결정 크기는 500~800 nm이었으나, 다성분계 실리콘 합금의 경우 200~300 nm로 다원계 및 원자 크기 비율 차이에 의한 설계 적용으로 실리콘 결정 크기를 개선할 수 있었다. 전기화학적 특성 평가 결과 4성분계 실리콘 합금의 방전용량은 1,440mAh/g, 초기 효율은 88.1%이었으며, 다성분계 실리콘 합금의 방전용량은 1,320mAh/g, 초기 효율은 86.6%이었다. 50 사이클 기준 용량유지율은 4성분계 실리콘 합금은 78.9%, 다성분계 실리콘 합금은 91.4%로 사이클 수명 특성이 개선되었다. 또한, 다성분계 실리콘 합금과 전해액과의 반응에 의한 SEI 부반응을 제어하기 위해 나노 스케일의 세라믹 표면 코팅을 실시하였고, 혼합 전극 특성을 평가하였다. 미 코팅 분말의 경우 초기 방전용량 439mAh/g, 초기 효율 88.7%, 50 사이클 용량 유지율은 82%이었으며, 나노 스케일의 세라믹 표면 코팅 분말의 경우 초기 방전용량 429mAh/g, 초기효율 87.6%, 50 사이클 용량 유지율은 88%로 표면 코팅에 의한 수명 특성이 개선되었다.