리튬 이온 전지용 실리콘 산화물계 음극 나노 분말 합성 및 분석

Abstract

리튬 이온 이차전지는 전지 전압과 에너지 밀도가 매우 높고 사용 온도 범위가 넓어 휴대전화, 노트북, 컴퓨터와 같은 소형 에너지원으로 많이 사용되고 있다. 또한 최근에는 전기 자동차 및 에너지 저장용과 같은 대형전지 시스템에 적용하기 위한 고용량-고출력 특성의 전지 개발을 위한 연구가 활발히 진행되고 있다.

전지의 특성을 결정하는 용량(capacity), 수명(cycle life)과 같은 전지의 제반 성능은 음극 및 음극활물질의 특성에 크게 의지한다. 현재 일반적으로 사용되고 있는 카본계 음극재료는 우수한 특성을 나타내고 있지만 이론용량 (372mAh/g)의 한계로 이를 대체할 수 있는 비탄소계 음극 재료의 기술개발이 필요한 실정이다. 이를 대체할 음극재료로서 실리콘 산화물계인 SiOx에대한 연구가 활발하게 이루어 지고 있다. SiOx음극활물질은 ~1300 mAh/g의 용량과, 우수한 수명 특성을 보인다. 그러나 SiOx분말을 제조하기 위해서는 고가의 장비 및 고비용-저수율의 단점으로 인하여 상업화에 많은 어려움이 있다.

본 연구에서는 FHS법과 MQ법을 이용하여 SiOx 분말을 합성하였다. 화염 가수분해 합성법(Flame Hydrolysis Synthesis)은 산소-수소 불꽃을 이용하여 열 플라즈마를 형성 시킨 후 기상 전구체(SiCl4)를 플라즈마 내부에서 분해시켜 SiOx복합 나노 입자를 재형성하는 방법으로서 균일한 크기의 SiOx composite 분말을 제조할 수 있는 방법이다. 사염화실리콘(SiCl4)기상 소스를 사용하여 산화도를 제어한 SiOx 나노 분말을 제조하였고, Melting Quenching 법을 이용하여 Si 및 SiO2 복합 분말을 제조하는데 성공하였다.

SEM, TEM 분석을 통하여 수십 나노의 구형 입자형태를 갖는 것을 확인하였다. 중거리 결합 및 화학 구조분석을 위하여 FT-IR, XPS 분석을 실시하였다. MQ법을 이용하여 만든 SiOx 음극 물질로 만든 전극의 전기화학적 특성분석을 통한 결과 Si와 SiO2, Li2CO3 비율이 5:4:1일 때 초기 용량이 1670 mAh/g이고, 초기 효율은 55 % 로 나타났다. 화염가수분해 합성법 및 MQ법은 기존의 합성공정들과 비교하여 저비용, 대량생산화의 장점으로 공정 원가 절감에 유리할 것으로 예상된다.