리튬 이차전지용 나노 골격구조를 가진 탄소 코팅된 실리콘 음극재의 저비용 합성

초록

전세계적으로 전기차(EV) 시장이 확대되는 가운데, 전기차의 주행 거리를 늘리는 것이 중요한 과제로 부각되고 있다. 이에 따라, 리튬이온전지의 에너지 밀도를 높이기 위한 고용량 실리콘 음극재에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다. 실리콘 음극재는 충전 시 리튬 이온과의 합금화 반응으로 인한 부피 팽창으로 불안정한 구조를 가지며, 반복된 SEI(solid electrolyte interface) layer의 파괴로 인해 비가역적 용량 손실을 겪는 문제가 있다. 이를 해결하기 위해 나노 사이즈의 실리콘 음극재가 연구되고 있지만, 나노 입자를 제조하는 공정 비용이 크고, 전해질과의 계면이 늘어나는 만큼 더 많은 부반응을 일으켜 근본적인 해결은 어려운 상황이다. 본 연구에서는 알루미늄(Al), 실리콘(Si)으로 이루어진 합금 입자를 습식 에칭하여 실리콘 나노 골격 구조를 만들었으며, 고분자 코팅 - 탄화(carbonization) 공정으로 이뤄진 탄소 코팅 과정을 통해 실리콘과 전해질의 직접적인 접촉을 최소화했다. 주사전자현미경(SEM), 투과전자현미경(TEM), X선회절(XRD), 라만분광법(Raman spectroscopy), 열중량-시차 분석기(TGA)를 통해 고분자 전구체의 종류 및 실험 조건에 따라 형성된 코팅 층의 물리/화학적 특성을 평가했으며, Half-cell 제작을 통해 리튬이온전지 음극재로서의 전기화학적 성능을 평가하였다.