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전 세계적으로 전기자동차 판매량이 급증함에 따라 리튬이온 이차전지에 대한 수요도 함께 증가하고 있다. 현재 상용화된 리튬이온 이차전지용 음극 재로는 흑연이 널리 사용되고 있으며 저렴한 가격과 우수한 수명 특성을 자랑한다. 그러나 흑연의 낮은 에너지 밀도는 배터리 시장의 고출력 및 고용량화 대한 요구를 충족시키지 못한다. 따라서 이를 대신하여 고용량의 실리콘 기반의 음극재를 사용하기 위한 연구가 활발하게 진행되고 있다. 실리콘은 흑연보다 약 10배나 높은 이론 용량(4200 mAh g-1)을 가지고 있어 리튬이온 이차전지의 차세대 음극재로 주목받고 있다. 그러나 충·방전 시 과도한 부피 팽창이 일어나 활물질 입자에 균열이 발생하고 전극 소재가 집전체로부터 박리되는 등 급격한 용량 감소를 초래한다. 이러한 실리콘의 부피 팽창 문제를 해결하기 위해 다양한 연구들이 진행되고 있다. 본 연구에서는 실리콘의 부피팽창을 억제하고 수명 특성을 개선하기 위하여 기계적, 전기적 특성이 매우 우수한 ...

전 세계적으로 전기자동차 판매량이 급증함에 따라 리튬이온 이차전지에 대한 수요도 함께 증가하고 있다. 현재 상용화된 리튬이온 이차전지용 음극 재로는 흑연이 널리 사용되고 있으며 저렴한 가격과 우수한 수명 특성을 자랑한다. 그러나 흑연의 낮은 에너지 밀도는 배터리 시장의 고출력 및 고용량화 대한 요구를 충족시키지 못한다. 따라서 이를 대신하여 고용량의 실리콘 기반의 음극재를 사용하기 위한 연구가 활발하게 진행되고 있다. 실리콘은 흑연보다 약 10배나 높은 이론 용량(4200 mAh g-1)을 가지고 있어 리튬이온 이차전지의 차세대 음극재로 주목받고 있다. 그러나 충·방전 시 과도한 부피 팽창이 일어나 활물질 입자에 균열이 발생하고 전극 소재가 집전체로부터 박리되는 등 급격한 용량 감소를 초래한다. 이러한 실리콘의 부피 팽창 문제를 해결하기 위해 다양한 연구들이 진행되고 있다. 본 연구에서는 실리콘의 부피팽창을 억제하고 수명 특성을 개선하기 위하여 기계적, 전기적 특성이 매우 우수한 탄소나노튜브(Carbon nanotube; CNT)를 실리콘 나노입자와 복합화하였다. 특히 지속적인 충·방전 동안에도 실리콘/탄소나노튜브 복합체의 구조가 안정적으로 유지될 수 있도록 실리콘과 탄소나노튜브 사이에 강한 상호작용인 수소결합을 형성하였다. 이를 위해 실리콘에는 탄닌산(Tannic acid; TA)을 코팅하여 말단에 수산화기(Hydroxyl group; –OH)가 형성되도록 하였으며 탄소나노튜브는 산 처리를 통해 카복실산기 (Carboxylic acid group; –COOH)가 형성되도록 하였다. 또한 실리콘 표면에 코팅된 탄닌산층은 탄소나노튜브와의 상호작용뿐만 아니라 전해질과의 직접적인 접촉을 방지하였다. 그 결과 정전류 충·방전 시 80.9%의 높은 초기 효율 및 2606.6 mAh g-1의 높은 초기 방전 용량을 내었으며, 활성화 과정 이후 첫 번째 사이클(4번째 사이클)의 방전 용량 대비 50번째 사이클에서 방전 용량이 72.6%가 유지되는 것을 확인하였다.