[논문]리튬이차전지용 다공성 Si-Ge-Al계 음극활물질의 전기화학적 특성

조충래; 김명근; 손근용; 박원욱

doi:10.4150/kpmi.2017.24.1.24

리튬이차전지용 다공성 Si-Ge-Al계 음극활물질의 전기화학적 특성
Effects of Porous Microstructure on the Electrochemical Properties of Si-Ge-Al Base Anode Materials for Li-ion Rechargeable Batteries 원문보기

한국분말야금학회지 = Journal of Korean Powder Metallurgy Institute, v.24 no.1, 2017년, pp.24 - 28

조충래 (인제대학교 에너지융합학과) , 김명근 (인제대학교 나노융합공학부) , 손근용 (인제대학교 나노융합공학부) , 박원욱 (인제대학교 나노융합공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

Silicon alloys are considered promising anode active materials to replace Li-ion batteries by graphite powder, because they have a relatively high capacity of up to 4200 mAh/g, and are environmentally friendly and inexpensive ECO-materials. However, its poor charge/discharge properties, induced by cracking during cycles, constitute their most serious problem as anode electrode. In order to solve these problems, Si-Ge-Al alloys with porous structure are designed as anode alloy powders, to improve cycling stability. The alloys are melt-spun to obtain the rapidly solidified ribbons, and then ball-milled to make fine powders. The powders are etched using 1 M HCl solution, which gives the powders a porous structure by removing the element Al. Subsequently, in this study, the microstructures and the characteristics of the etched powders are evaluated for application as anode materials. As a result, the etched porous powder shows better electrochemical properties than as-milled Si-Ge-Al powder.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 부피팽창 완화에 도움을 주는 다공성 구조를 갖는 실리콘을 제작하여 이에 따른 미세조직과 전기화학적 특성을 평가함으로써 다음과 같은 결론을 얻었다.

제안 방법

이에 따라, 본 연구에서는 음극활물질로서 기존의 실리콘이 나타낸 문제들을 해결하기 위해 급속응고법을 이용해 실리콘 입자를 미세화시켜 전극의 특성을 향상시키고, 저마늄을 첨가하여 전기전도도를 향상시킴과 아울러, 손쉽게 제거 가능한 알루미늄을 에칭함으로써 다공성 실리콘합 금분말로 제조하였으며, 최종적으로 전지용 코인셀을 만들어 이에 대한 미세구조 및 전기화학적 특성을 분석하였다.
한편, 음극활물질로서의 Si-Ge-Al과 에칭된 다공성 SiGe(-Al) 합금의 특성을 알아보기 위해서는 충·방전 시험을 사용하여 각 분말의 방전용량의 사이클특성을 측정하였다. 우선 그림 7에서는 Si-Ge-Al과 다공성 Si-Ge(-Al)의 사이 클에 따른 방전용량을 나타냈다.

대상 데이터

Si₄₀Ge₂₀Al₄₀(at%)합금을 제작하기 위해, 실리콘(Si), 저마늄(Ge), 알루미늄(Al) 원소를 사용하였다. 미세한 구조의 실리콘합금제조를 위하여 급속응고법 중의 하나인 Melt Spinning을 이용하였는데, 직경이 0.

이론/모형

(at%)합금을 제작하기 위해, 실리콘(Si), 저마늄(Ge), 알루미늄(Al) 원소를 사용하였다. 미세한 구조의 실리콘합금제조를 위하여 급속응고법 중의 하나인 Melt Spinning을 이용하였는데, 직경이 0.4 mm인 그라파이트 노즐을 사용하였으며, 휠과의 gap 약 1 cm, 휠의 회전속도 3000 rmp, 용해된 합금의 분사압력 0.05MPa의 조건으로 리본을 제조하였다. 급속응고된 합금 리본의 두께는 약 10~15 µm으로 측정되었다.

성능/효과

1. Si-Ge-Al 합금분말은 염산용액을 이용하여 에칭할 경우, 알루미늄이 제거되어 비교적 수월하게 Si-Ge(-Al) 합금분말 형태의 다공성 구조를 얻을 수 있었다.
2. Si-Ge-Al 합금보다 에칭에 의한 다공성 Si-Ge(-Al)의 비표면적이 15배가량 증가하였으며, 이 경우 평균입도 46.35 nm의 mesopore가 가장 많이 분포되어 있음을 확인 할 수 있었다.
3. Si-Ge-Al 합금과 에칭된 다공성 Si-Ge(-Al)의 50번째 사이클에서 방전용량은 각각 144.1, 414.5 mAh/g으로 다공성 구조의 합금의 충·방전 사이클 특성이 훨씬 우수하였으며, 이러한 현상은 다공성분말의 부피팽창 완화효과에 기인한 것으로 해석된다.

후속연구

Si-Ge-Al의 경우 50^th 사이클에서도 99%의 뛰어난 용량유지율을 나타냈으며, 에칭된 다공성 Si-Ge(-Al) 합금의 경우는 98%의 약간 낮은 유지율을 나타냈다. 이에 따라 Si-Ge-Al 합금분말의 에칭에 의해 전기화학적 특성이 향상되지만, 사이클특성의 안정화를 위해 다공성분말의 크기 및 분포 등 구조제어에 대한 추가적인 후속연구가 필요한 것으로 분석된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	실리콘이 흑연 대체제로 각광받는 이유는?	본 연구에서는 흑연을 대체할 수 있는 재료로 실리콘합금에 대하여 연구하였다. 실리콘은 지각을 구성하는 원소들 중에서 매우 풍부하고, 가격이 저렴하고, 환경 친화적이며, 이론용량 또한 4200 mAh/g 으로 매우 높은 편일 뿐 아니라, 방전전압(~0.4 V vs Li+ /Li)이 낮아 흑연을 대체할 수 있는 물질로 각광받고 있다. 그러나, 이러한 뛰어난 특성에도 불구하고 상용화 되지 못한 까닭은 리튬을 수용하는 과정에서 발생하는 부피의 팽창(~400%)으로 인한 안정성의 저하인데[5, 6], 음극재인 실리콘의 부피가 팽창하고 수축하는 과정에서 집전체로부터 분리되어 전기적 접촉면을 감소시키거나 활물질의 분쇄로 인해 사이클 특성의 저하를 야기하는 문제가 있다.
	리튬이차전지의 음극재로 주로 사용되는 물질은?	리튬이차전지의 음극재로 주로 이용되고 있는 물질은 흑연(Graphite)이 주류를 이루고 있다. 흑연은 가역성과 안정성이 우수하나 용량적인 측면에서는 사용범위에 있어 한계가 존재하는데, 이론용량이 372 mAh/g으로 낮은 편이므로 재료적인 측면에서 음극재를 대체할 연구가 필요한 실정이다.
	흑연을 대체하기 위해 실리콘합금에 대한 연구가 진행되고 있지만 상용화 되지 못하는 이유는?	4 V vs Li+ /Li)이 낮아 흑연을 대체할 수 있는 물질로 각광받고 있다. 그러나, 이러한 뛰어난 특성에도 불구하고 상용화 되지 못한 까닭은 리튬을 수용하는 과정에서 발생하는 부피의 팽창(~400%)으로 인한 안정성의 저하인데[5, 6], 음극재인 실리콘의 부피가 팽창하고 수축하는 과정에서 집전체로부터 분리되어 전기적 접촉면을 감소시키거나 활물질의 분쇄로 인해 사이클 특성의 저하를 야기하는 문제가 있다. 이러한 실리콘의 단점을 해결하기 위해 실리콘 또는 합금의 형상을 와이어, 튜브, 다공성분말 등으로 만들려는 연구가 전 세계적으로 다양하게 연구되고 있다[7-10].

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