최근 전 세계적으로 환경오염 및 화석연료의 고갈에 대응하기 위한 저탄소 녹색성장이 글로벌 이슈로 등장함에 따라 그린에너지 산업이 큰 관심을 받고 있다. 2009년 미국의 유력 일간지인 월스트리트 저널(Wall Street Journal)은 ‘녹색 에너지시대’ 여는 다섯 가지 열쇠로 ① 대기 밖 태양열 집광, ② 차세대 바이오연료, ③ 탄소 포집 및 저장, ④ 리튬공기전지와 ⑤ 전력 저장장치를 선정했으며, 이는 그만큼 ...
최근 전 세계적으로 환경오염 및 화석연료의 고갈에 대응하기 위한 저탄소 녹색성장이 글로벌 이슈로 등장함에 따라 그린에너지 산업이 큰 관심을 받고 있다. 2009년 미국의 유력 일간지인 월스트리트 저널(Wall Street Journal)은 ‘녹색 에너지시대’ 여는 다섯 가지 열쇠로 ① 대기 밖 태양열 집광, ② 차세대 바이오연료, ③ 탄소 포집 및 저장, ④ 리튬공기전지와 ⑤ 전력 저장장치를 선정했으며, 이는 그만큼 전기 자동차 또는 신재생 에너지(태양, 풍력, 지열, 수력 등)의 발전을 위한 에너지 저장장치의 개발이 현대사회에 직면하고 있는 가장 큰 문제 중의 하나임을 시사한다. 현대사회는 중대형 이차전지의 수요가 급격히 증가하고 있는 추세이며, 특히 휴대전화, 노트북, 디지털 카메라, 캠코더 등 수많은 휴대기기를 비롯하여, 하이브리드/전기 자동차(HEV/EV) 보급, 확대 및 신재생 에너지 개발에 따른 전력저장용 중대형 이차전지(ESS)의 연구개발이 절실히 요구되고 있다. 특히, 신재생 에너지는 기상(외부) 조건에 따라 발전량의 변화가 심하고, 순간 전력이 부족하여 대규모 정전 사태가 발생하게 되면 정전에 따른 경제적 손실이 발생하게 되어서 신재생 에너지는 생산된 에너지의 저장이 필수요건이다. 현재 기술의 전력저장 시스템으로는 이차전지, 양수발전, 초전도, 압축공기와 플라이 휠이 있으며, 이 중 가장 효율적인 전력저장 시스템은 이차전지인데, 그 이유로는 에너지 저장 밀도가 가장 높고, 유지 관리가 용이하며, 높은 효율을 나타낸다는 점이다. 전지는 활물질이 가지고 있는 화학적인 에너지를 전기화학반응을 통해 전기에너지로 변화하는 장치로 이해할 수 있다. 대용량의 전력저장 시스템으로의 이차전지는 신재생 에너지로부터 생산된 전력을 효율적으로 저장하고, 안정된 전력 공급과 정전사태 방지를 위해 반드시 필요하며, 대용량의 전력저장용 이차전지에 요구되는 특성으로는 낮은 가격, 장수명, 높은 안전성, 높은 에너지 밀도와 환경친화성(오염, 소음을 최소화) 등이 있으며, 이러한 전지의 개발이 절실히 필요하다.
상용화된 리튬이온 이차전지의 활물질은 양극재료인 LiCoO2(Lithium Cobalt(III) Oxide, LCO)와 음극재료인 탄소(Graphite)로 구성되며, 각각의 이론용량은 LCO가 273 mAh/g, 그라파이트가 372 mAh/g을 가진다. 하지만, 현재 개발된 리튬 이온 이차전지는 에너지밀도의 한계성(250 Wh/kg)을 가지고 있고, 전지의 부피 및 무게로 인해 각종 IT전자기기의 설계에 많은 제약을 주며, 현재 리튬이차전지는 중대형전지의 개발에 대한 경제적인 문제점이 지적되고 있다. 또한 리튬이온전지를 탑재하고 있는 하이브리드 자동차의 경우, 전원부의 단가는 자동차 단가의 25~50%를 차지하고 있는 실정으로 가격절감을 위한 방안 모색이 필요한 실정이다. 따라서, 이러한 문제점을 극복할 수 있는 전극 활물질의 개발이 필요하며, 각광 받고 있는 물질로는 고용량 소재인 유황, 실리콘과 주석 또는 이들의 금속성 복합체, 그리고, 고용량과 화학적 안정성을 고려한 티타늄과 아연산화물 등이다. 이 중에서도 전지의 고용량화를 위해 본 연구에서 제안되는 활물질로는 음극재 실리콘(Si)이며, 이론용량은 상용화 탄소보다 약 11배 높은 4200 mAh/g이다. 따라서, 실리콘은 이러한 고용량 특성으로 인해 이전부터 많은 연구가 진행되어 오고 있다.
실리콘 전극의 가장 큰 단점은 충·방전 과정에서 300% 이상의 부피 변화로 인해 전극 구조가 붕괴되고, 활물질이 탈락되어 전기적 접촉성이 저하되고, 급격한 용량감소가 진행되어, 결국 전지 수명특성이 저하되는 단점을 가지고 있다. 이러한 전극의 단점을 보완하고자 전 세계적으로 많은 연구자들이 실리콘의 구조, 화합물 합성, 미세화 공정 및 바인더/도전재/전해질의 개발 위주로 연구하고 있다. 하지만, 상기에 언급된 우수한 특성의 전극은 제조 시 많은 노력, 복잡한 방법 및 전극구조로 제조되고 있으며, 이러한 전극을 상용화하기에는 극복해야 될 많은 문제점을 가지고 있다. 충·방전 시 부피 팽창으로부터 야기되는 단계적인 문제점들은 ‘부피 팽창 → 기계적 응력 → 균열·파괴 → 활물질의 탈리 또는 용출 → 새로운 SEI막 형성 → Li의 사이클 능력 저하 → 저항 증가 → 활물질의 전기적 고립화 → 수명특성 저하’로 나열될 수 있다. 따라서, 대부분의 연구들은 초기단계인 부피팽창 억제에 초점이 맞춰져 있다. 하지만, 부피팽창이 되지 않으면 팽창되지 못한 만큼 용량 감소를 유발한다.
본 연구에서는 부피팽창은 허용하되, 그로 인해 야기되는 탈리를 방지하는 전극구조가 제시되며, 그 전극구조는 실리콘 전극의 단점을 보완하고 장점을 극대화시킬 수 있도록 재디자인함으로써, 공정이 간단하면서도 상용화 가능성이 있는 고용량 및 우수한 사이클 특성을 가진 실리콘 분말전극에 대해 연구되었다. 재디자인 된 닫힌구조 전극을 위한 지지체는 양극산화알루미늄 (AAO), 산화티타늄 나노튜브(TiO2 NTs) 그리고 사포로 처리된 구리(Cu) 호일이다. 전극 제조 시 산화티타늄 나노튜브를 이용한 전극은 집전체로 사용가능한 티타늄(Ti) 위에 합성되었기 때문에 집전체 구리 호일이 사용되지 않았다. 또한, 사포 처리된 구리 호일을 이용한 전극은 실리콘 삽입 및 바인더 코팅 시 그 자체로 전극이 된다. 본 연구에서 제시되는 닫힌구조의 실리콘 분말전극은 기존의 도전재를 사용하지 않았고, 바인더로 표면코팅이 되지만, 다른 고분자 물질로 대체가 가능하며, 기존의 바인더와는 기능상 차이가 있으므로, 무바인더·무도전재 전극이라 칭할 수 있으며, 순수 실리콘 나노분말로 제조된다는 특징이 있다.
최근 전 세계적으로 환경오염 및 화석연료의 고갈에 대응하기 위한 저탄소 녹색성장이 글로벌 이슈로 등장함에 따라 그린에너지 산업이 큰 관심을 받고 있다. 2009년 미국의 유력 일간지인 월스트리트 저널(Wall Street Journal)은 ‘녹색 에너지시대’ 여는 다섯 가지 열쇠로 ① 대기 밖 태양열 집광, ② 차세대 바이오연료, ③ 탄소 포집 및 저장, ④ 리튬공기전지와 ⑤ 전력 저장장치를 선정했으며, 이는 그만큼 전기 자동차 또는 신재생 에너지(태양, 풍력, 지열, 수력 등)의 발전을 위한 에너지 저장장치의 개발이 현대사회에 직면하고 있는 가장 큰 문제 중의 하나임을 시사한다. 현대사회는 중대형 이차전지의 수요가 급격히 증가하고 있는 추세이며, 특히 휴대전화, 노트북, 디지털 카메라, 캠코더 등 수많은 휴대기기를 비롯하여, 하이브리드/전기 자동차(HEV/EV) 보급, 확대 및 신재생 에너지 개발에 따른 전력저장용 중대형 이차전지(ESS)의 연구개발이 절실히 요구되고 있다. 특히, 신재생 에너지는 기상(외부) 조건에 따라 발전량의 변화가 심하고, 순간 전력이 부족하여 대규모 정전 사태가 발생하게 되면 정전에 따른 경제적 손실이 발생하게 되어서 신재생 에너지는 생산된 에너지의 저장이 필수요건이다. 현재 기술의 전력저장 시스템으로는 이차전지, 양수발전, 초전도, 압축공기와 플라이 휠이 있으며, 이 중 가장 효율적인 전력저장 시스템은 이차전지인데, 그 이유로는 에너지 저장 밀도가 가장 높고, 유지 관리가 용이하며, 높은 효율을 나타낸다는 점이다. 전지는 활물질이 가지고 있는 화학적인 에너지를 전기화학반응을 통해 전기에너지로 변화하는 장치로 이해할 수 있다. 대용량의 전력저장 시스템으로의 이차전지는 신재생 에너지로부터 생산된 전력을 효율적으로 저장하고, 안정된 전력 공급과 정전사태 방지를 위해 반드시 필요하며, 대용량의 전력저장용 이차전지에 요구되는 특성으로는 낮은 가격, 장수명, 높은 안전성, 높은 에너지 밀도와 환경친화성(오염, 소음을 최소화) 등이 있으며, 이러한 전지의 개발이 절실히 필요하다.
상용화된 리튬이온 이차전지의 활물질은 양극재료인 LiCoO2(Lithium Cobalt(III) Oxide, LCO)와 음극재료인 탄소(Graphite)로 구성되며, 각각의 이론용량은 LCO가 273 mAh/g, 그라파이트가 372 mAh/g을 가진다. 하지만, 현재 개발된 리튬 이온 이차전지는 에너지밀도의 한계성(250 Wh/kg)을 가지고 있고, 전지의 부피 및 무게로 인해 각종 IT전자기기의 설계에 많은 제약을 주며, 현재 리튬이차전지는 중대형전지의 개발에 대한 경제적인 문제점이 지적되고 있다. 또한 리튬이온전지를 탑재하고 있는 하이브리드 자동차의 경우, 전원부의 단가는 자동차 단가의 25~50%를 차지하고 있는 실정으로 가격절감을 위한 방안 모색이 필요한 실정이다. 따라서, 이러한 문제점을 극복할 수 있는 전극 활물질의 개발이 필요하며, 각광 받고 있는 물질로는 고용량 소재인 유황, 실리콘과 주석 또는 이들의 금속성 복합체, 그리고, 고용량과 화학적 안정성을 고려한 티타늄과 아연산화물 등이다. 이 중에서도 전지의 고용량화를 위해 본 연구에서 제안되는 활물질로는 음극재 실리콘(Si)이며, 이론용량은 상용화 탄소보다 약 11배 높은 4200 mAh/g이다. 따라서, 실리콘은 이러한 고용량 특성으로 인해 이전부터 많은 연구가 진행되어 오고 있다.
실리콘 전극의 가장 큰 단점은 충·방전 과정에서 300% 이상의 부피 변화로 인해 전극 구조가 붕괴되고, 활물질이 탈락되어 전기적 접촉성이 저하되고, 급격한 용량감소가 진행되어, 결국 전지 수명특성이 저하되는 단점을 가지고 있다. 이러한 전극의 단점을 보완하고자 전 세계적으로 많은 연구자들이 실리콘의 구조, 화합물 합성, 미세화 공정 및 바인더/도전재/전해질의 개발 위주로 연구하고 있다. 하지만, 상기에 언급된 우수한 특성의 전극은 제조 시 많은 노력, 복잡한 방법 및 전극구조로 제조되고 있으며, 이러한 전극을 상용화하기에는 극복해야 될 많은 문제점을 가지고 있다. 충·방전 시 부피 팽창으로부터 야기되는 단계적인 문제점들은 ‘부피 팽창 → 기계적 응력 → 균열·파괴 → 활물질의 탈리 또는 용출 → 새로운 SEI막 형성 → Li의 사이클 능력 저하 → 저항 증가 → 활물질의 전기적 고립화 → 수명특성 저하’로 나열될 수 있다. 따라서, 대부분의 연구들은 초기단계인 부피팽창 억제에 초점이 맞춰져 있다. 하지만, 부피팽창이 되지 않으면 팽창되지 못한 만큼 용량 감소를 유발한다.
본 연구에서는 부피팽창은 허용하되, 그로 인해 야기되는 탈리를 방지하는 전극구조가 제시되며, 그 전극구조는 실리콘 전극의 단점을 보완하고 장점을 극대화시킬 수 있도록 재디자인함으로써, 공정이 간단하면서도 상용화 가능성이 있는 고용량 및 우수한 사이클 특성을 가진 실리콘 분말전극에 대해 연구되었다. 재디자인 된 닫힌구조 전극을 위한 지지체는 양극산화알루미늄 (AAO), 산화티타늄 나노튜브(TiO2 NTs) 그리고 사포로 처리된 구리(Cu) 호일이다. 전극 제조 시 산화티타늄 나노튜브를 이용한 전극은 집전체로 사용가능한 티타늄(Ti) 위에 합성되었기 때문에 집전체 구리 호일이 사용되지 않았다. 또한, 사포 처리된 구리 호일을 이용한 전극은 실리콘 삽입 및 바인더 코팅 시 그 자체로 전극이 된다. 본 연구에서 제시되는 닫힌구조의 실리콘 분말전극은 기존의 도전재를 사용하지 않았고, 바인더로 표면코팅이 되지만, 다른 고분자 물질로 대체가 가능하며, 기존의 바인더와는 기능상 차이가 있으므로, 무바인더·무도전재 전극이라 칭할 수 있으며, 순수 실리콘 나노분말로 제조된다는 특징이 있다.
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