[논문]원자층 증착법을 적용한 리튬 이온 전지 연구 동향

김동하; 최병준

doi:10.4150/kpmi.2016.23.2.170

원자층 증착법을 적용한 리튬 이온 전지 연구 동향
Recent Progress on the Application of Atomic Layer Deposition for Lithium Ion Batteries 원문보기

한국분말야금학회지 = Journal of Korean Powder Metallurgy Institute, v.23 no.2, 2016년, pp.170 - 176

김동하 (서울과학기술대학교 신소재공학과) , 최병준 (서울과학기술대학교 신소재공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Lithium-ion batteries (LIBs) are rapidly improving in capacity and life cycle characteristics to meet the requirements of a wide range of applications, such as portable electronics, electric vehicles, and micro- or nanoelectro-mechanical systems. Recently, atomic layer deposition (ALD), one of the vapor deposition methods, has been explored to expand the capability of LIBs by producing near-atomically flat and uniform coatings on the shell of nanostructured electrodes and membranes for conventional LIBs. In this paper, we introduce various ALD coatings on the anode, cathode, and separator materials to protect them and improve their electrochemical and thermomechanical stability. In addition, we discuss the effects of ALD coatings on the three-dimensional structuring and conduction layer through activation of electrochemical reactions and facilitation of fluent charge collection.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 연구에서는 ALD 기술을 액체 전해질을 사용하는 LIB에 적용해 LIB의 안정성과 효율을 증대시킨 여러 연구 결과에 대해 소개했다. ALD 기술은 나노 구조화된 전극 물질의 표면을 균일하게 코팅함으로써, 전기화학 반응에 의한 LIB의 열화 문제를 막거나, 열에 의한 부피 팽창 수축에 따른 기계적 파괴를 완화 시키는 데 주로 적용 되었다.
LIB 연구 분야에서도 점차 ALD 기술을 접목하고자 하는 연구가 꾸준히 발표 되고 있다. 본 연구에서는 Knoops 등에 의해 2012년 발표된 리뷰 논문의 구분 형식을 차용해 ALD 기술이 적용된 LIB 연구의 최신 동향을 정리해 보고자 한다[1]. 이에 따라 2.
그림 3의 그래프를 보면 Al₂O₃와 같은 보호막을 형성 시켜주면, 코팅된 보호막이 분말 전극의 접착력을 향상시켜주고, 부피 변화를 완화시켜 주어 수명이 증대되는 현상을 확인 할 수 있다. 이 논문은 코팅의 효과를 비교하기 위해 크게 두 가지 방법으로 코팅하였다. 코팅한 분말을 전극으로 사용하는 방법과, 분말로 전극을 형성한 후 코팅하는 방법으로 나누어서 실험을 하였다.

제안 방법

이 논문은 코팅의 효과를 비교하기 위해 크게 두 가지 방법으로 코팅하였다. 코팅한 분말을 전극으로 사용하는 방법과, 분말로 전극을 형성한 후 코팅하는 방법으로 나누어서 실험을 하였다. 실험결과, 코팅한 분말을 전극으로 사용한 경우, 분말간의 접착력이 기존보다 낮아져 더욱 낮은 수명을 가지게 되는 현상을 확인하였다.

성능/효과

열처리를 함으로 써 Li 이온이 보호막으로 확산해 들어간다. Li 이온이 확산해 들어간 보호막은, 기존의 보호막 보다 Li 이온이 쉽게 이동하게 되어 배터리의 용량이 증대된 것을 확인 할 수 있다.
기존에는 보호막을 sol-gel법과 같은 습식공정으로 증착하였다[10]. 그러나 sol-gel법은 분말 상(phase)과 같이 복잡한 표면에는 균일하게 증착이 안되며, 두께조절 또한 어려워 배터리의 성능이 오히려 저하되는 현상이 나타났다. 그러나 기체 전구체(precursor)를 이용하는 ALD 기술은 전극의 표면 구조에 상관없이 물질을 균일하게 증착 시킬 수 있어 이 문제들을 해결해주었다[3].
한 예로 다공성 고분자 필름으로는 다공성 폴리프로필렌(porous polypropylene, PP) 위에 보조막(support layer)를 입힌 실험이 있다[16]. 논문에서는 PP막에 TiO₂를 입혀 전기화학적 특성 변화를 관찰하였는데, 전지의 안전성에 직결되는 열수축률도 낮아지고 표면의 습윤성도 높아졌다. 또한 ALD로 매우 얇게 보조막을 입혀 다공성 막의 구멍의 크기에는 영향을 거의 미치지 않았다.
전극과 집전체(current collector)의 두께를 얇게 하는 방식을 예로 들 수 있다. 둘째, 전극의 부피변화율을 줄이고, 부피변화 시 발생하는 균열을 방지해야 한다. 균열이 발생하면 전극이 파괴되어 유실되고, 이에 따라 용량이 감소하기 때문이다.
Diphenylalanine과 chloroform으로 펩타이드 나노 구조 틀을 만들고 그 위에 TiO₂를 형성한 후 하소를 통해 틀을 날리는 과정으로 TiO₂ 나노 리본구조물이 형성하였다. 배터리 특성을 측정한 결과, 이온의 이동에도 안정적이고, 전기적으로도 매우 안정한 전극이 형성됨을 확인하였다. 위와 같은 연구들을 통해 균일하고 두께 조절이 용이한 ALD 공정을 이용하여 재료의 표면 반응뿐만 아니라 나노 구조적으로 효율과 수명을 증대시키는 방안들이 연구되고 있다.
코팅한 분말을 전극으로 사용하는 방법과, 분말로 전극을 형성한 후 코팅하는 방법으로 나누어서 실험을 하였다. 실험결과, 코팅한 분말을 전극으로 사용한 경우, 분말간의 접착력이 기존보다 낮아져 더욱 낮은 수명을 가지게 되는 현상을 확인하였다.
이를 이용하여 나노 구조 틀 위에 박막을 입힌 뒤 열을 가해 틀을 제거 하여 입체 구조물 전극을 만드는 연구도 진행되었다[11]. 입체 구조물로 전극을 만든 경우 표면적이 증대되고, 구조적으로 Li 이온을 저장할 수도 있어 용량이 향상되었다.
LIB의 성능을 높이기 위해서는 몇 가지 특성변화가 필요하다[1]. 첫째, Li 이온과 전자의 확산 거리를 낮추어 반응속도를 높여야 한다. 전극과 집전체(current collector)의 두께를 얇게 하는 방식을 예로 들 수 있다.

후속연구

LIB 적용을 위해서는 활성 전극으로 사용되는 Li, Mn, Mo, Co 계열의 다성분계 산화물, 또는 황화물 ALD 공정을 위한 전구체가 개발되어야 할 필요가 있고[18], 또한 나노 구조화된 물질을 균일하게 코팅해야 하기 때문에 ALD 장비 구조 및 기구에 대한 고안도 필요하다. 그리고 3차원 구조의 고체 전지를 개발하기 위해서는 이온 전도체인 고체 전해질 물질, 이온의 확산을 막는 확산 방지막, 집전체 등 다양한 물질에 대한 ALD 공정 기술이 개발되어야 할 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	원자층 증착법이란 무엇인가?	한편 원자층 증착법(atomic layer deposition; 이하 ALD)은 Å 단위에서의 두께 조절이 가능하고 단차 피복성이 높아 복잡한 형상에서도 균일한 박막을 성장시킬 수 있는 박막 형성 기술이다. 이미 10 여 년 전부터 반도체 산업에서 DRAM과 같은 메모리의 축전기, 트랜지스터 게이트용 산화막, 금속 전극의 성장을 위한 시드층 형성을 위해 ALD 기술이 쓰이고 있으며, 소자의 초소형화 및 미세화, 고집 적화를 위해서 ALD 기술의 적용 영역이 더욱 확대 되고 있다[5].
	리튬 이온 전지가 고효율의 에너지 저장 및 공급 소자로 널리 쓰이는 이유는?	리튬 이온 전지(Lithium-ion battery; 이하 LIB)는 재충전이 가능하고 휴대가 용이하며 출력이 높아, 전기자동차, 휴대용 전자 기기, 초소형 기전 소자 등을 구동 시키기 위한 고효율의 에너지 저장 및 공급 소자로 널리 쓰이고 있다. 응용 기기의 휴대성과 편의성을 증진 시키기 위해서, 보다 높은 전하 저장 능력과 높은 출력, 짧은 충전 시간과긴 수명을 갖는 LIB가 요구되고 있다.
	LIB의 성능을 높이는 과정에서 부피변화 시 균열이 발생하면 어떠한 부작용이 생기는가?	둘째, 전극의 부피변화율을 줄이고, 부피변화 시 발생하는 균열을 방지해야 한다. 균열이 발생하면 전극이 파괴되어 유실되고, 이에 따라 용량이 감소하기 때문이다. 셋째, 전극의 이온 저장성을 높여야 한다.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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