탄소 전구체 종류 및 증착 온도에 따른 실리콘 산화물계 음극소재의 코팅 공정 최적화

초록

최근 고출력 고에너지 밀도의 리튬 이온 배터리(LIB)에 대한 수요가 급증하면서 이론 용량이 높은 실리콘 계 음극 소재가 주목받고 있다. 특히 실리콘 산화물(SiOx)은 열역학적으로 불안정한 특성으로 인해 쉽게 상분리가 일어나 SiO2 층을 형성하여 높은 가역 용량과 우수한 사이클 안정성을 보인다. 하지만, 충방전 과정에서 발생하는 극심한 부피 팽창과 낮은 전기전도도로 인하여 흑연 계 음극을 대체하지 못하고 있다. 현재, 실리콘 계 음극 소재 표면에 탄소 층을 코팅하여 부피 팽창을 억제하고 전기전도도를 향상시켜 SEI 층을 안정화하는 연구들이 보고되고 있지만, 탄소 전구체와 증착 온도가 탄소 코팅 층의 물성에 미치는 영향에 대해서는 연구가 미흡한 상황이다. 본 연구에서는 탄소 전구체 종류와 증착 온도에 따른 탄소 코팅 층의 형상, 두께, 결정성 등의 물성 변화를 확인하였다. 화학기상증착법(Chemical Vapor Deposition; CVD)을 통해 실리콘 산화물(SiOx) 표면에 탄소 층을 증착시키고, 물성 평가를 기반으로 탄소 코팅 공정을 최적화하였다. 투과전자현미경(TEM)을 통해 탄소 코팅 층의 형상을 비교 분석하였으며, X-Ray 회절 장비(XRD)와 라만 분광기(Raman)를 통해 탄소 코팅 층의 성분 및 결정성을 확인하였다. 또한, 합성한 소재로 리튬 이온 배터리 음극 half-cell을 제작하여 순환전위법(Cyclic voltammetry; CV), 전기화학적 임피던스 분석법(Electrochemical Impedance Spectroscopy; EIS)과 충방전 시험을 통해 실리콘 계 음극재로의 전기화학적 성능 평가를 진행하였다.