초록 ▼

1.분석자 서문

실리콘산화물계(SiOx) 물질은 높은 비용량(Specific capacity)과 우수한 사이클 성능을 갖는 음극 재료로서 흑연계 음극을 대체할 만한 차세대 전극 물질로 기대를 받고 있다. SiOx 전극은 순수 실리콘 전극보다 용량이 낮지만 충방전 과정 중 생성되는 산화물(산화리튬: Li2O, 리튬 실리케이트: Li4SiO4 등)이 실리콘의 리튬/탈리튬화에 따른 부피 변화의 완충재로 사용되어 전극 내부의 스트레스를 줄여준다. 이러한 결과로 비록 순수 실리콘보다 용량은 낮지만, 사이클 수명이 보다 안정

1.분석자 서문

실리콘산화물계(SiOx) 물질은 높은 비용량(Specific capacity)과 우수한 사이클 성능을 갖는 음극 재료로서 흑연계 음극을 대체할 만한 차세대 전극 물질로 기대를 받고 있다. SiOx 전극은 순수 실리콘 전극보다 용량이 낮지만 충방전 과정 중 생성되는 산화물(산화리튬: Li2O, 리튬 실리케이트: Li4SiO4 등)이 실리콘의 리튬/탈리튬화에 따른 부피 변화의 완충재로 사용되어 전극 내부의 스트레스를 줄여준다. 이러한 결과로 비록 순수 실리콘보다 용량은 낮지만, 사이클 수명이 보다 안정적인 특징을 가지고 있다. 본 분석에서는 다양한 선행연구를 통하여 SiOx의 전기화학적인 성질과 메커니즘에 대하여 논의하였다. 그뿐만 아니라 SiOx의 나노구조에 대한 전기화학적인 성능, 바인더, 전해질, 리튬전처리(Pre-lithiation)에 의한 전기화학적 특성을 평가하였다. 마지막으로 SiOx 음극물질의 성능을 향상시키기 위한 전략 및 연구 방향을 제시하였다.



2. 목차

1. 서론

1.1. 리튬 이온 배터리에 대한 전망

1.2. SiOx 음극의 특성

1.3. SiOx 음극의 장단점

2. 나노SiOx의 제조 및 특성

2.1. Si/C 복합전극

2.2. Si/SiOx 코어-쉘 나노복합전극

2.3. SiOx/CNF, CNT, Grephene 전극

2.4. Si/SiOx 나노튜브

2.5. 다공성 SiOx 전극

2.6. 기타 SiOx 전극

3. SiOx 음극의 성능에 미치는 다른 성분들의 영향

3.1. 전해질 및 첨가제

3.2. 바인더

3.3. 질소 도핑 및 탄소 코팅

3.4. 리튬전처리(Pre-lithiation)

3.5. SiOx 전극을 이용한 풀셀 구성

4. 나노 SiOx의 제조 및 전기화학적 특성

5. 결론 및 전망

SiOx는 높은 용량과 우수한 사이클 특성을 구현할 수 있는 유망한 음극 재료로 알려져 있다. 리튬화 과정 중 생성되는 리튬 산화물들은 부피팽창에 따른 내부 스트레스를 완충시키는 작용을 하여 우수한 사이클 특성을 얻을 수 있다. 그러나 SiOx 전극은 낮은 전기전도도 및 낮은 초기 충방전 효율이라는 문제점을 갖고 있다. 이러한 문제점을 개선하기 위해 SiOx의 나노구조화, 다공성 처리, 리튬전처리 등의 방법이 개발되고 연구되어오고 있다. 실용화 관점에서 음극 용량을 증가시키는 효율적인 방법은 소량의 Si 또는 SiOx를 흑연에 혼합하는 것이다. 이외에도 전해질 및 바인더와 같은 첨가 성분에 대한 연구도 효과적인 것으로 알려져 있다.

현재 국내, 외를 비롯하여 높은 이론용량을 갖는 물질들에 대한 연구가 활발히 진행이 되고 있다. 가까운 일본의 경우 높은 이론용량을 갖는 재료로써 황 및 실리콘에 대한 연구가 전국적으로 이루어지고 있으며, 학계 중심의 연구 이외에도, 실용화에 대한 연구 또한 활발히 진행 되고 있다. 또한 전 세계적으로 더 높은 에너지 밀도를 갖는 전지를 구성하기 위한 방안으로 실리콘 기반 음극의 중요성이 더 부각되고 있으며, 재료적 및 전기화학적인 디자인을 통해 최적의 용량 및 안정성 갖는 실리콘 기반 음극 재료의 연구가 이루어지고 있다.

본 리뷰를 통해 SiOx 전극의 실용화에 대한 주요 연구를 네 가지로 요약할 수 있다. 첫째, 최적의 나노구조를 갖는 SiOx를 합성하기 위해서는, Si 및 산화물 표면에서의 리튬화/탈리튬화 메커니즘에 대한 연구가 필요하다. 이 연구는 XPS, 라만분광법 등의 분석장비를 이용하여 연구할 수 있다. 둘째, SiOx 전극의 최적 사이클 조건 및 풀셀 구성을 위한 양극과 음극 간의 상호작용에 대한 실질적인 이해가 필요하다. 셋째, 바인더, 전해질 및 첨가제는 SiOx 전극 특유의 특성에 맞춰 도입이 되어야 한다. 마지막으로 저렴한 비용으로 고성능 SiOx 전극을 실현하기 위해 SiOx 전극 제조 과정을 단순화시키는 방안도 고려해봐야 한다.



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※ 이 자료의 분석은 노스캐롤라이나 A&T 주립대의 조성진님께서 수고해주셨습니다.