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전기 자동차와 스마트 기기 시장의 규모가 커짐에 따라 리튬이온 이차전지의 높은 에너지밀도 및 긴 사이클 수명이 요구된다. 리튬이온 이차전지용 음극물질 중 상용화된 흑연은 우수한 사이클 수명을 지니지만 372 mAh/g의 낮은 이론용량을 가진다. Si(silicon) 음극은 3579 mAh/g의 높은 이론용량을 가지고 있다. 하지만 충/방전시 리튬화/탈리튬화를 거치며 부피팽창이 발생하고 이로 인해 사이클 수명이 낮아진다. ...

전기 자동차와 스마트 기기 시장의 규모가 커짐에 따라 리튬이온 이차전지의 높은 에너지밀도 및 긴 사이클 수명이 요구된다. 리튬이온 이차전지용 음극물질 중 상용화된 흑연은 우수한 사이클 수명을 지니지만 372 mAh/g의 낮은 이론용량을 가진다. Si(silicon) 음극은 3579 mAh/g의 높은 이론용량을 가지고 있다. 하지만 충/방전시 리튬화/탈리튬화를 거치며 부피팽창이 발생하고 이로 인해 사이클 수명이 낮아진다. Si 음극과 달리 SiO는 리튬과의 반응과정 중에 나노 크기의 Si가 Li2O와 Li4SiO4 사이에 위치한 형태로 전환된 후에 리튬과 반응하기 때문에 사이클 수명이 개선됨이 알려져 있다.

본 연구에서는 비교 실험을 통해 SiO, 바인더 및 전해액 첨가제를 선정하였고 기존의 천연흑연 음극재료와 탄소가 코팅된 SiO를 이용하여 복합전극을 제조한 후에 전기화학적 특성을 평가하였다. SiO의 혼합비율에 따라 용량, 사이클, 출력, 저항 특성을 확인하고자 하였고 SiO 분말 분리, 집전체 표면의 거칠기 변화 등을 통해 성능 개선을 시도하였다. 흑연-SiO 복합전극의 초기용량과 효율은 흑연과 SiO의 혼합 비율에 의하여 결정되었다. 그리고 SiO의 함량이 높아질수록 가역적인 용량은 증가하지만 사이클 성능은 저하되었다. SiO 함량이 증가함에 따라 전류 밀도에 따른 속도 성능은 약간의 이점을 갖지만, 각 전극이 갖는 용량을 고려한 C-rate를 기준으로 하면 이점을 갖지 못한다. GITT(Galvanostatic Intermittent Titration Technique) 실험을 통해 변화를 확인하였고, 흑연 / SiO 복합전극에서 SiO는 전기화학 반응 동안 흑연의 저항보다 큰 저항을 갖는다. Sieve를 이용한 SiO 입자크기에 따른 분리와 증류수를 이용한 비중에 따른 분리법은 성능 개선에 적합하지 않는 것을 확인하였다. 또 다른 방법으로 1000 mesh 사포로 구리 집전체의 표면을 연마하여 거칠기를 높였으며, 그 결과, 사이클 성능 및 쿨롱효율이 증가하였다.

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