탄고 코팅 전구체 종류에 따른 실리콘 산화물계 음극소재의 전기화학적 물성 제어

초록

최근 전기자동차(Electric Vehicle; EV) 및 에너지 저장 장치(Energy Storage System; ESS) 등의 분야에서 중대형 전지의 수요가 지속적으로 증가하고 있다. 사용 편의성을 위해 고출력?고에너지 밀도를 지닌 리튬 이온 전지에 대한 요구가 증가하고 있으나 상용 리튬 이온 전지 음극재로 사용되고 있는 흑연의 경우 낮은 이론 용량(372 mAh/g)을 지니고 있어 고용량 음극 소재 개발이 필수적이다. 실리콘은 이론용량(4,200 mAh/g)이 매우 높아 차세대 고용량 음극 소재로 적합하지만 낮은 전기전도도 및 초기 쿨롱효율로 인하여 탄소계 음극을 대체하지 못하고 있다. 현재, 실리콘계 음극 소재 표면에 탄소를 코팅함으로써 전기전도도와 초기 쿨롱효율을 개선한 연구들이 보고되고 있으나, 합성한 탄소 코팅층의 형상, 두께, 결정성 등의 제어방법과 그 영향에 대해서는 연구가 미흡한 상황이다. 본 연구에서는 메탄 또는 아세틸렌을 이용하여 화학기상증착법(CVD)을 통해 실리콘 산화물(SiOx) 표면에 탄소층을 증착시켰으며, 탄소 전구체의 종류 및 증착 온도에 따라 다르게 형성된 탄소 코팅층의 물리적, 화학적, 전기화학적 물성 평가를 기반으로 탄소 코팅 공정을 최적화 하였다. 주사전자현미경(SEM)과 투과전자현미경(TEM)을 통해 탄소 코팅 층의 형상을 비교 및 분석하였으며, 열중량-시차 분석기(TG/DTA)와 라만분광기(Raman)를 통해 탄소 분포, 탄소 코팅 층의 성분 및 결정성을 확인하였다. 또한, 합성한 소재의 Half-cell 제작을 통해 고에너지밀도의 리튬 이온 전지 음극재로의 전기화학적 성능을 비교하여 평가하였다.