폴리디메틸실록산(PDMS) 피막을 이용한 플라즈마 전해 산화 공정: SiO2-TiO2 복합체 합성 및 리튬이온배터리 음극으로의 응용

초록

Si 기반 물질은 높은 이론 용량을 가지지만, 충방전 사이클 중 발생하는 큰 부피 팽창으로 인해 리튬이온배터리(LIB) 음 극 소재로 활용하는 데 한계를 지닌다. 이러한 한계를 극복하기 위한 전략으로, 낮은 부피 팽창과 우수한 사이클 안정성을 갖춘 TiO2 소재와의 조합이 주목받고 있다. 본 연구에서는 Ti 기판 위에 폴리디메틸실록산(PDMS) 필름을 전극 보호 피 막으로 도입하여 플라즈마 전해 산화(PEO)로 SiO2-TiO2 복합 피막을 합성하였고, 이를 리튬이온배터리(LIB) 음극으로 적용하였다. PDMS 피막은 Ti 기판과 PEO 전해질 간의 직접적인 접촉을 막고, 계면에서의 전자 이동을 억제하여 PEO 반응이 즉각적으로 일어나는 것을 방지하며, Ti 전극 표면에서의 산소 농도를 보호 피막이 없는 경우보다 더 높게 유지하 여 플라즈마 발생이 장시간 지속되도록 유도하는 중요한 역할을 한다. 이러한 반응 메커니즘을 통해 더욱 균일하고 두꺼 운 PEO 산화 피막(80.39 μm)이 형성되었고, 연장된 기체 발생 반응으로 인해 PEO 피막 내 기공 크기가 커지는 효과가 확인되었다. 리튬이온배터리 코인셀로 전기화학적 평가를 한 결과, PDMS@TiPEO 전극은 500 μA cm?2의 전류 밀도에 서 1505.35 μAh cm?2의 높은 면적 용량과 우수한 사이클 안정성을 보였다. 본 연구는 PEO 반응에서 PDMS 피막의 중 요성과 반응 메커니즘을 밝혔으며, Si 기반 물질의 한계를 극복하기 위해 TiO2 소재와의 시너지를 활용한 전략이 LIB 음 극 소재의 성능을 극대화할 수 있음을 입증하였다.