초록 ▼

음극활물질 중 실리콘은 높은 이론용량을 갖는 활물질로 알려져 있지만 리튬과의 반응시 큰 부피변화로 인해 전지의 수명을 단축시킨다. 몇 년간 음극관련 연구에서는 이러한 단점을 개선하기 위해 전도성이 우수하며 큰 부피변화를 제어 할 수 있는 하드카본을 복합물질로 사용하는 방식이 많이 적용되고 있으나 그 제조방법들이 복잡하고 고비용이 드는 단점이 있다. 우리연구그룹은 1년차 과제계획에 따라 실리콘/탄소 복합물질을 비교적 단순한 용액중합 및 O/W 시스템을 이용하여 제조하고, 높은 용량과 개선된 수명특성을 Electrochimica Act

음극활물질 중 실리콘은 높은 이론용량을 갖는 활물질로 알려져 있지만 리튬과의 반응시 큰 부피변화로 인해 전지의 수명을 단축시킨다. 몇 년간 음극관련 연구에서는 이러한 단점을 개선하기 위해 전도성이 우수하며 큰 부피변화를 제어 할 수 있는 하드카본을 복합물질로 사용하는 방식이 많이 적용되고 있으나 그 제조방법들이 복잡하고 고비용이 드는 단점이 있다. 우리연구그룹은 1년차 과제계획에 따라 실리콘/탄소 복합물질을 비교적 단순한 용액중합 및 O/W 시스템을 이용하여 제조하고, 높은 용량과 개선된 수명특성을 Electrochimica Acta (IF: 3.832)에 게재하고 제조방법을 국내특허로 출원한 상태이다. 높은 전류 속도에서 나타는 용량감소를 개선하기 위한 방법으로 복합 활물질의 표면에 은(silver) 나노입자를 고르게 도핑시켰다. 은이 도입된 복합입자는 개선된 율 특성 (Rate capability)를 보였으며 EIS를 통해 감소된 charge transfer resistance를 그 원인으로 확인할 수 있었다. 이 논문은 현재 Solid state ionics (IF: 2.646)에 제출하여 Completed-accepted 된 상태로 곧 게재를 앞두고 있다. 또한 실리콘과 더불어 고용량을 갖는 산화철 나노입자의 표면을 개질하여 마이크로 탄소입자 내부에 고루 분산시킨 복합입자는 500사이클 후 까지도 훌륭한 용량유지 특성을 보였다. 이 연구결과를 Journal of Power Sources (IF: 4.951)에 제출하여 현재 Completed-accepted 된 상태이다. 위와 같이 탄소복합물질을 이용한 수명특성 및 율 특성의 개선과 더불어 활물질 입자의 구조를 제어를 통해 전지의 성능을 개선할 수 있었다. 우리가 새롭게 도입한 하이드로겔 입자는 외부용액의 pH에 따라 수십배에 달하는 부피변화를 나타내며 음전하를 띌 수 있다. 이러한 특성을 이용해 표면에 산화철 나노입자를 흡착시킨 후 열처리를 통해 코어를 제거하면 산화철로만 이루어진 중공형 산화철입자가 제조 된다. 이 물질은 탄소가 포함되지 않았음에도 불구하고 훌륭한 수명특성을 나타낼 수 있었다. 이 결과를 통해 활물질의 구조가 리튬이온의 확산에 큰 영향을 미친다는것을 Electrochimica Acta (IF: 3.832)에 보고하여 게재되었다. 이 연구를 시작으로 활물질 입자의 구조제어 연구는 본격적으로 시작되었다. 중합시 발생하는 상분리를 이용하여 제조된 중공형 고분자 입자의 표면과 내부에 철 금속이온을 확산시킨 후 열처리하여 뛰어난 율특성을지닌 탄소/산화철 복합 입자를 제조하여 연구내용을 Journal of Power Sources (IF: 4.951)에 제출하여 현재 Completed-accepted 되었다. 하지만 위와 같은 중공입자들의 경우 부피당 에너지 밀도가 낮아 실용성 측면에서 문제로 거론되었는데 이러한 단점을 극복하기 위해 내부가 완전히 비어있는 입자가 아닌 내부공간에 코어가 존재하는 래틀구조(Rattle type)를 갖는 산화철입자를 하이드로겔 템플레이트를 통해 제조할 수 있었고, 이 물질은 중공구조의 성능과 비교하여 좋은 수명특성과 더불어 높은 가역용량을 나타냈다.

목차 Contents

• 일반연구자지원사업 최종(결과)보고서 ... 1
• 목 차 ... 3
• Ⅰ. 연구결과 요약문 ... 4
• Ⅱ. 연구내용 및 결과 ... 5
• 1. 연구과제의 개요 ... 5
• 2. 국내외 기술개발 현황 ... 5
• 3. 연구수행 내용 및 결과 ... 5
• 4. 목표 달성도 및 관련 분에의 기여도 ... 6
• 5. 연구결과의 활용계획 ... 7
• 6. 연구과정에서 수집한 해외과학기술정보 ... 7
• Ⅲ. 연구성과 ... 7