초록
▼

최근 휴대용기기 등의 경량화, 소형화, 다기능화 추세에 따라 그 전원으로 사용되고 있는 리튬 이온전지의 에너지밀도 증가가 요구되고 있으며, 특히 전기자동차, 및 에너지 저장장치에 대한 관...

최근 휴대용기기 등의 경량화, 소형화, 다기능화 추세에 따라 그 전원으로 사용되고 있는 리튬 이온전지의 에너지밀도 증가가 요구되고 있으며, 특히 전기자동차, 및 에너지 저장장치에 대한 관심과 요구가 상승됨에 따라 리튬 이온전지를 적용하기 위해 고 에너지밀도의 음극 소재 개발이 필요하게 되었다. 기존 리튬 이온 전지의 음극소재로 사용되고 있는 흑연계 음극 소재는 연구 및 기술의 발달로 이론용량 (LiC6 = 372 mAh/g) 에 가까워 지고 있지만, 고용량화라는 현재 추세에 따라가지 못함에 따라 그 대안으로 실리콘계 음극 소재 연구가 활발이 이루어지고 있다. 실리콘은 높은 에너지밀도와 이론용량(Li4.4Si≈ 4200 mAh/g)을 가지고 있다. 그러나 실리콘은 높은 에너지밀도와 이론용량을 가지고 있음에도 낮은 리튬 확산 계수(DLi+,10-14 to 10-12cm2/s)와 낮은 전기 전도성 그리고 리튬 이온의 삽입/탈리 반응 동안 실리콘의 급격한 부피변화 (최대300%)로부터 오는 구조의 불안 때문에 리튬 이온 전지 음극 소재로 사용이 제한되고 있는 실정이다. 이러한 문제를 해결하기 위해 입자의 크기 조절, 다른 재료와의 합금화, 부피팽창을 흡수할 수 있는 카본 코팅과 SiO2기지에 수 나노 크기의 Si 입자의 분산시킨 SiOx의 적용 등이 제안되었다. 이러한 방법들을 통해 Si의 부피변화에 따른 기계적 스트레스를 최소화하고 완충하는 연구와 함께 확산거리의 조절 등으로 실용화에 근접해졌다. 하지만 Si의 분산, 입자 크기의 조절, 다른 재료와의 합금은 현재 많은 실험결과가 나와 있음에도 고가의 원재료 가격과 생산공정비가 높아 실용화가 되지 못하고 있다. 본 연구에서는 실리콘의 높은 에너지밀도와 용량을 유지하면서 저가의 비용으로 음극 소재를 개발하고자 SiO2 sol-gel법을 기초로 하여 Si이 SiO2 기지상에 분산된 실리콘산화물(SiOx)을 제조할 수 있는 방법을 설계하였다. Si 전구체로 비교적 낮은 가격대에서 쉽게 구할 수 있는 염화실리콘(SiCl4, Silicon tetrachloride)과 이에 대한 반응물질로 에틸렌 글리콜(Ethylene glycol)을 선정하였다. 염화실리콘과 에틸렌 글리콜을 1 : 1wt% 비율로 혼합 후 생성된 슬러리를 725oC에서 1시간 열처리하여 얻은 분말은 검정색을 띄었으며 매우 불규칙한 형상으로 판상과 다공성의 입자들이 수십 마이크론 크기로 응집되어 있음을 알 수 있었다(BET 값= 45.11 m2/g).또한 재료학적 분석을 통해 SiC, SiOC, SiO2로 이루어진 실리콘화합물임을 알 수 있었으며, 약 29 at%의 카본이 함유되어 있는 것을 알 수 있었다. 이렇게 제조된 실리콘산화물을 중심물질로 하고 전기전도도를 향상시키기 위해 분말 표면에 카본이 균질하게 분포되도록 카본 코팅을 진행하였다. 카본 자원으로는 피치를 사용하였으며 실리콘산화물과 피치를 1 : x (x = 0, 10, 20, 40, 50, 60)wt%으로 NMP에 혼합 후 900oC에서 1시간 열처리하였다. 그 결과 카본의 함유량이 증가할수록 용량이 증가하였으나 카본의 함량이 40 wt%를 넘어가면 용량이 감소하는 것을 알 수 있었다. 또한 실리콘산화물의 입자 크기 조절을 위해 카본 코팅과 함께 볼밀링을 진행하였다. 실리콘산화물과 피치를 1 : 40 wt%로 고정하여 준비된 분말을 지르코니아 볼 1mm, 5mm을 1 : 7.5 : 7.5 wt%로 100 ~ 400 rpm으로 볼밀링 후 900oC에서 1시간 열처리하였다. 그 결과 입자의 크기가 작아질수록 용량이 증가하였으며, 입자의 크기가 200 ~ 500nm 일 때 용량 및 수명이 가장 많이 향상되었음을 알 수 있었다. 기존의 음극 소재인 흑연을 대체 가능한 음극 소재를 SiO2 sol-gel법을 기초로 설계하여 제조하였으며 카본 코팅과 볼밀링을 통해 용량 및 수명이 향상되었음을 알 수 있다. 특히 저가의 원자재 가격과 간단한 공정으로 새로운 음극 소재를 제조할 수 있으며, 이의 공정 및 합성방법의 개발은 아직까지 문헌상 보고된 바 없기에 새로운 음극 소재를 개발하는데 큰 도움이 될 것으로 생각된다.

이 논문을 인용한 문헌