리튬-이온 이차전지용 Si/SiOx Nanosphere 고용량 음극소재의 전기화학적 특성

Abstract

리튬이차전지의 음극소재로써 Si은 낮은 전기화학적 환원전위 (0.4 V vs. Li/Li+)를 가지며, 높은 이론용량(3,580 mAhg-1)을 가지는 장점이 있으나, 리튬과 반응시 큰 부피변화가 수반된다. 이 때문에 음극활물질의 분쇄가 일어나면서 집전체와 활물질간의 접촉이 떨어지고, 분쇄된 활물질과 전해질의 분해로 인해 불안정한 계면층이 형성되는 문제로 상용화에 어려움을 가지고 있다. 이를 해결하려는 연구들이 많이 진행되고 있으며, 그 중 실리콘과 같은 리튬 합금계의 수명 특성은 순수 금속을 사용하는 것보다 활성상의 금속(Si)과 이를 둘러싼 비활성상의 산화물(SiOx)등으로 나노복합체를 형성할 때 활성상의 부피 변화를 완화시킨다고 보고되고 있다. 뿐만 아니라, 이 비활성상은 전기전도와 Li+의 이온전도를 확보하는 역할을 하게된다. Si/SiOx의 나노복합체들은 일반적으로 비용이 많이들고 복잡한 합성방법을 통해 얻어지는데, 우리는 triethoxysilane을 이용하여 sol-gel 반응을 통해 얻어진 물질을 환원분위기에서 1200 ℃의 열처리를 통하여 간단하고 값싼 방법으로 Si/SiOx nanospheres를 만들었다. 다양한 분석방법을 통해 Si/SiOx nanospheres는 SiOx로 이루어진 200 nm 크기의 matrix에 5 nm 크기의 결정질 Si가 embedding되어 있고 다른입자들과 서로 연결되어 있는것을 확인했다. 전도성 확보를 위해 Si/SiOx nanospheres의 표면에 얇고 균일한 carbon layer를 형성하여 전극의 수명을 높였다. 이렇게 만들어진 carbon coated Si/SiOx nanospheres는 950 mAhg-1의 높은 가역용량을 가지며 100 cycle까지 뛰어난 cyclic performance를 유지한다. 두번째 싸이클 이후의 전극의 부피는 33 % 증가하는데 그쳤으며, sol-gel 반응을 통해 낮은 가격과 간단한 합성방법으로 Si/SiOx composite의 제조가 가능하다는 것을 확인하였다.