리튬 이온 배터리 음극재 용 요크-쉘 구조를 갖는 SiO2@N,P doped carbon의 합성 및 전기화학적 특성

초록

현재 리튬 이온 배터리는 휴대용 전자기기나 전기자동차 등에 보편적으로 사용되고 있으나 높은 용량과 긴 수명을 갖는 고성능 에너지 저장 장치에 대한 수요는 지속적으로 증가하고 있어 기존 리튬이온 배터리의 성능 향상이 필수적이다. 이에 따라 높은 이론 용량을 갖는 실리콘 기반의 음극재가 주목받고 있지만 충방전 시 부피팽창에 의해 구조가 붕괴되고 불안정한 SEI 형성에 의해 용량이 급격히 감소한다는 단점을 가지고 있다. 이러한 실리콘 기반 음극재의 부피팽창 문제를 개선하기 위해 다공성, 코어-쉘, 요크-쉘 등 다양한 구조를 적용하는 연구가 활발히 이루어지고 있다. 본 연구는 Stober 법을 통해 구형 실리카를 제조하고 수열합성법을 통한 열중합을 진행하여 폴리피롤을 실리카 표면에 코팅하였으며, 하이포아인산나트륨과 함께 아르곤 분위기에서 고온 열처리함으로써 쉘의 탄화와 P 도핑을 동시에 진행하여 코어-쉘 구조의 SiO2@NPC(SiO2@NPC C.S.)를 합성하였다. 그 후 묽은 불산을 사용하여 SiO2의 부분적 식각을 통해 요크-쉘 구조의 SiO2@NPC(SiO2@NPC Y.S.)를 최종적으로 합성하였다. SEM, TEM, FT-IR, RAMAN 분석을 통해 요크-쉘 구조와 N, P 도핑을 확인하였으며, 1 M LiPF6(EC:DEC=1:1 vol%) 및 10 vol% FEC 전해액에서 리튬 이온 배터리의 충방전, 사이클, 율속 테스트를 통해 700 mAh g-1의 높은 용량과 300 사이클 이상의 우수한 안정성을 확인하였다.