리튬이온 이차전지 음극용 나노기공 Si/C 복합체의 전기화학적 특성 연구

Abstract

리튬이온 이차전지 anode 재료인 Si의 초기 부피팽창으로 인한 전극 용량의 감소 제어 및 cycle 향상을 위해 SMA, graphite와의 Si-SMA-C composite가 mechanical ball milling 공정 및 열처리를 통해 1차적으로 제조되었다. 이때 Si의 비율은 33%을 넘지 않도록 합성함으로써 silicon carbide 생성을 최대한 억제하였으며 SMA를 600℃, 800℃ 조건에서 사이에 2시간 이상 비교 열처리함으로 SMA를 decomposite 하여 나노사이즈의 기공을 형성하였다. 이와같이 ball milling 시간과 열처리 조건에 변화에 따라 제조된 Si-SMA-C composite의 상변화 morphology는 XRD와 SEM으로 분석되었으며 전극의 수명이 충-방전실험과 cyclic 특성 분석에 의해 평가되었다. Si-SMA-C composite의 cycle당 용량저하(fade in capacity)와 초기 용량 감소율(irreversible loss)을 고려한 최적의 ball milling 시간은 2h 이었다. Si-SMA-C composite 에서 초기 비가역 용량 손실이 여전히 존재하였으며, Si의 pulverization이 그 원인이었다. pulverization으로 인한 전극특성의 저하 및 cyclic 감소를 줄이기 위하여 Si-SMA-C composite 입자 표면에 carbon 계열의 PVC(polyvi-nyl chloride)가 코팅되었다. 표면에 코팅된 PVC는 약 30nm의 구형입자로 비교적 균일하게 deposition되었다. PVC/Si-SMA-C composite 의 리튬 이온의 첫 삽입과정이 0.01~3V 범위에서 XRD로 분석되었다. Si가 리튬이온과 반응한 반면 탄소는 리튬이온과 반응하지 않았으며 PVC는 소모가 약간 있는 것으로 나타났다. 충/방전 실험 결과 30thcycle에서 PVC 코팅되지 않은 Si-SMA-Ccomposite은 약 600mAh/g 용량을 나타난데 반해 PVC가 코팅된 Si-SMA-C composite은 약 800mAh/g의 향상된 용량특성을 나타내었다.