초록
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□ 연구개요
이차전지 에너지 밀도 향상을 위해 많은 관심을 받고 있는 실리콘 음극 소재는 300%의 높은 부피팽창 문제로 불안정한 사이클 특성을 나타낸다. 따라서 최근 실리콘의 부피팽창을 효과적으로 억제할 수 있는 SiOx 음극...

□ 연구개요
이차전지 에너지 밀도 향상을 위해 많은 관심을 받고 있는 실리콘 음극 소재는 300%의 높은 부피팽창 문제로 불안정한 사이클 특성을 나타낸다. 따라서 최근 실리콘의 부피팽창을 효과적으로 억제할 수 있는 SiOx 음극 소재에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. SiOx 음극 소재의 산화물 matrix는 높은 기계적 강도 특성을 통해 실리콘 나노 도메인의 부피팽창을 효과적으로 억제하여 우수한 사이클 특성을 나타낼 수 있어, 일본 업체들을 통해 상용화된 SiOx가 리튬이차전지 음극 소재로 사용되고 있다. 하지만 고가의 공정 또는 다단계 공정에 의해 합성되어 상용 흑연 음극 소재에 비해 가격이 고가여서 실제 산업체에 적용하기에 걸림돌이 되고 있다. 따라서 본 연구에서는 원료물질로 태양광 산업에서 발생되는 실리콘 부산물을 사용하고, 금속수산화물을 통해 실리콘 입자의 크기를 조절함과 동시에 분무 공정으로 일산화실리콘 matrix를 형성시키고자 하였다. 또한 분무 공정의 장점을 기반으로 실리콘 나노 구조체의 특성을 향상시키기 위해 전구체 용액에 다양한 첨가제를 사용함으로써 실리콘 나노 복합체를 개발하여 최종적으로 실리콘의 부피팽창 문제를 해결하고 수명 특성 및 쿨롱 효율을 향상시키고자 하였다.

□ 연구 목표대비 연구결과
☛ 1차년도: 본 연구에서는 원료물질로 태양광 산업의 실리콘 부산물을 사용했으며 Si@SiOx 나노 구조체를 제조하기 위한 방법으로 대량 액적 발생이 가능한 분무 건조 공정을 구축하였다. Si@SiOx 나노 구조체 제조를 위한 전구체 합성을 위해 NaOH를 사용하여 실리콘을 etching 시키고자 했으며, NaOH의 농도 변화를 통해 실리콘 도메인의 크기 및 SiOx 비율을 제어하여 사이클 및 용량 특성을 최적화하였다.
☛ 2차년도: SiOx의 낮은 전기전도성 문제를 해결하기 위해 전구체 용액에 다양한 carbon source를 첨가하여 복합체를 합성하였다. 특히 Graphene oxide를 첨가하여 제조한 나노 구조체의 경우 전기전도도 향상으로 내부 전자이동에 유리해 높은 용량 및 우수한 출력 특성을 나타냈다.
☛ 3차년도: 실제 전지 산업에 적용시키기 위해 흑연보다 높은 용량 특성을 가지면서 SiOx의 문제점인 낮은 초기 효율 문제를 해결하기 위해 개발된 SiOx 나노 구조체와 흑연 복합화를 진행하였다. 흑연과 실리콘의 복합화에 따른 초기 쿨롱효율 향상 효과를 확인하기 위해 두 활물질을 분무 공정을 통해 복합화 한 후 전기화학특성을 비교하였을 때 초기 쿨롱효율이 약 25% 향상됨을 확인할 수 있었으며 실리콘 및 탄소 복합체를 흑연이 둘러싸고 있는 구조는 안정된 SEI layer 형성과 전기전도도 향상에 기여하여 우수한 수명특성을 확인할 수 있었다.

□ 연구개발결과의 중요성
리튬이차전지가 전기자동차 및 신재생에너지를 저장하기 위한 용도로 확대됨에 따라 높은 출력 특성 및 에너지밀도 향상의 필요성이 증대되고 있다. 따라서 고용량 음극 소재인 실리콘의 높은 용량을 충분히 구현시키기 위한 많은 연구가 진행되고 있으나 여전히 한계를 가지고 있는 실정이다. 본 연구개발결과에 따른 실리콘 나노 복합체는 실제 산업체에서 적용할 수 있도록 태양광 산업 부산물을 사용하여 가격 경쟁력을 높이고 원스텝으로 대량생산이 가능한 분무 공정을 기반으로 제조하였다. 또한 Si/O ratio 조절이 가능하고 흑연과의 복합화를 통해 실리콘의 부피팽창을 억제함과 동시에 초기 쿨롱효율을 향상시킴으로써 원천 기술을 확보할 수 있을 것으로 예상된다.

(출처 : 연구결과 요약문 2p)

목차
Contents
▼

• 표지 ... 1
• 연구결과 요약문 ... 2
• 목차 ... 3
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 4
• 2. 연구수행내용 및 연구결과 ... 4
• 1) 분무 건조 공정을 통한 porous c-Si@SiOx 나노 구조체 합성 ... 4
• 2) 분무 건조 공정을 통한 Si@SiOx wrapped graphene oxide 복합체 합성 ... 7
• 3) 개발된 Si@SiOx 구조체와 상용 흑연과의 복합체 제조 ... 7
• 3. 연구개발결과의 중요성 ... 9
• 4. 참고문헌 ... 9
• 5. 연구성과 ... 10
• 끝페이지 ... 13

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참고문헌

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