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Si 전극은 4200mAh/g-Si이라는 우수한 이론 용량을 나타내지만, 약 300%에 해당하는 큰 부피팽창으로 인한 내부응력 증가로 사이클이 진행됨에 따라 급격한 용량감소를 나타내는 문제점이 있다. 이를 개선하기 위한 방법으로 전극을 박막화 함으로써 충·방전 동안에 발생되는 전극의 균열을 감소시키거나 Si과 집전체간의 결합력을 향상시키기 위한 많은 연구가 진행되어 왔으나 막의 두께가 증가했을 때, 사이클이 진행됨에 따라 급격한 용량감소를 나타내는 문제점이 발생한다.
본 연구에서 이러한 문제점을 해결하기 위해 Si 박막과 Cu 집전체 사이에 Ni ...

Si 전극은 4200mAh/g-Si이라는 우수한 이론 용량을 나타내지만, 약 300%에 해당하는 큰 부피팽창으로 인한 내부응력 증가로 사이클이 진행됨에 따라 급격한 용량감소를 나타내는 문제점이 있다. 이를 개선하기 위한 방법으로 전극을 박막화 함으로써 충·방전 동안에 발생되는 전극의 균열을 감소시키거나 Si과 집전체간의 결합력을 향상시키기 위한 많은 연구가 진행되어 왔으나 막의 두께가 증가했을 때, 사이클이 진행됨에 따라 급격한 용량감소를 나타내는 문제점이 발생한다.
본 연구에서 이러한 문제점을 해결하기 위해 Si 박막과 Cu 집전체 사이에 Ni buffer 층을 증착하여 실험을 실시한 결과 다음과 같은 결과를 얻었다.
1. Ni과 Si의 성장거동을 관찰한 결과 Ni과 Si은 cluster구조를 가지며 Ni 두께가 두꺼운 경우 Si cluster가 결합하는 형상을 나타낸다.
2. S/Ni/Cu 전극의 전기화학적 특성을 조사한 결과 낮은 전류밀도에서는 Ni의 두께가 증가함에 따라 초기 방전용량이 감소하였다. 그 이유는 Ni 중간막이 내부저항 증가요인으로 작용하였기 때문으로 사료된다. 높은 전류밀도에서는 Ni의 두께가 0.3μm에서 높은 용량 유지율과 우수한 사이클 특성을 나타내었다. 이는 Ni 중간막이 cluster의 형태로서 집전체와 활물질 사이의 결합력을 향상시켰기 때문이다. 그리고 Ni 중간막이 일정이상의 두께를 가지면 용량과 사이클 거동은 현저하게 퇴화하였다. 이는 Si cluster들이 결합됨으로써 충·방전 시 발생하는 부피팽창을 억제하지 못하기 때문이다.

Abstract ▼ AI-Helper

A cluster structured Ni film is deposited between Si film and Cu substrate in order to modify the surface morphology of Si film and support an active material during charge-discharge (alloying - dealloying) process. Surface morphology of a deposited film depends on the surface state of a under layer...

A cluster structured Ni film is deposited between Si film and Cu substrate in order to modify the surface morphology of Si film and support an active material during charge-discharge (alloying - dealloying) process. Surface morphology of a deposited film depends on the surface state of a under layer. Furthermore, that of the under layer can be artificially controlled by thickness of the deposited film. The change in morphology of Ni film with different thicknesses has been already studied in our previous work. However, the capacity and the cycle life of Si films on the Ni films were not as satisfied as we had expected. The main reason of the poor electrochemical properties was considered as a shadow effect which happens due to an inclined Si flux during deposition process, and Ni cluster prohibits Si atoms from filling the spacing between clusters. In order to avoid the effect, a vertical deposition technique for Si deposition was utilized in this work and a well packed Si film on the Ni film was obtained. As the result, the cycleability of Si/Ni/Cu film electrode obviously showed an improved capacity and a good cycleability.
In this paper, detail surface observation of Si/Ni/Cu film was performed for a comparison of Si/Cu film. The morphological dependence of the buffer layer and Si film electrode on electrochemical properties of cells was investigated and discussed on basis of the surface observations. Moreover, the deposited Si thin film electrode was applied to LiCoO₂ thin film cathode prepared by a conventional method and the electrochemical properties of the full cell were examined.