리튬이차전지용 TCO(Tin-based Composite Oxide) 음극재료의 전기적 특성에 관한 연구

Abstract

마이크로전지란 기존의 전원과 전혀 다른 새로운 개념으로 전지의 구성요소인 양극, 음극, 전해질 등을 박막 화하여 그 크기를 초소형으로 만든 고밀도 에너지원으로서의 전지를 말하는 것으로 최근 전자산업, 이동통신 등 커뮤니케이션 산업의 급속한 발전과 함께 전자기기의 경박 단소화 경향에 적극 부응한 고에너지밀도와 마이크로 스케일의 on-chip화가 용이한 새로운 형태의 초소형 에너지원이다. 마이크로전지의 고체전해질의 재료로는 현재 John Bates에 의해 개발된 LIPON이 주를 이루고, 폴리머계 전해질과 LiTi₂(PO4)₃ , Li₃N을 응용하는 무기질계 전해질도 개발되고 있다. 양극재료로는 LiMn₂O4 , LiCoO₂ , V₂O5 등의 천이금속산화물 그리고 천이금속 황화물 계통으로도 연구가 이루어지고 있다. 음극재료로는 리튬금속을 필두로 리튬합금물질, 금속리튬의 수지상 성장의 문제점을 해결한 카본 물질 그리고 Tin oxide를 필두로 한 산화물 계통에 대한 다양한 연구가진행중이다. 1994년 Fuji Photo Film Co.에 의한 새로운 리튬이차전지의 음극 물질로 주석산화물을 제시한 이후로 주석산화물 음극의 큰 가역적 용량으로 인하여 많은 연구가 이루어지고 있다. 특히, 주석 산화물은 카본 전극과 비교할 때 부피 당 이론용량은 4배, 그램 당 용량은 2배정도의 잇점을 갖고 있다. 그러나, 주석산화물 음극물질은 첫 사이클 후의 약 60%-70%정도의 용량감소 문제와 두 번째 단계이후에는 Li-Sn합금전극의 형태이므로 리튬이 삽입될 때 최대 3.69배 정도의 부피 변화률을 수반하는데 이러한 부피변화에 의하여 결정구조의 cracking이나 crumbling이 발생하여 전지의 수명이 다하는 문제가 있다. 본 실험은 이러한 주석산화물의 첫 사이클에서의 용량감소 문제와 사이클 수명을 향상시키기 위한 연구로서 SnO-B₂O₃-P₂O_(5)계를 기본조성으로 하는 Tin-based Composite Oxide(TCO)음극 재료에 Li₂O가 첨가된 사성분계 음극재료를 전통적인 용융법을 사용하여 제작하였으며 전도도와 전기화학적 특성 평가를 통하여 음극재료로서 최적의 조성을 찾는 것을 목적으로 하였다. 또한, FT-IR 분석 장비를 이용하여 이들 재료의 전기화학적 물성이 어떤 구조와 연관된 것인지를 규명하였으며, 싸이클 동안의 구조 변화를 XRD를 통하여 관찰하였다.; In recent years, the rechargeable Li-ion battery is an important energy source for many potable applications such as cell phone, smart card, PDA, and so on. Therefore, there has been a growing interest in the development of new negative electrode materials for rechargeable lithium batteries. The focus of development is finding new electrode materials with better safety and higher energy densities(larger gravimetric and volumetric capacities) for smaller and lighter products. Several materials are studied as candidates of anode materials. Among the suggested anode materials, tin-based composite oxide materials (TCO) are advantageous over carbon due to their higher volumetric (four times) and gravimetric (two times) capacity. However, tin-based composite oxide materials have a major drawback of the irreversible capacity (theoretically, 31.3% for SnO and 47.6% for SnO₂) due to the formation of Sn grain and amorphous Li₂O during the initial electrochemical cycle. As an alternative approach, tin-based composite oxides including small amount of Li₂O might be lead to improved cyclability (less capacity fading) in comparison to the use of pure Sn metal as the electrode. In this study, the tin-based composite oxide of the Li₂O-SnO-B₂O₃-P₂O_(5) system has been prepared by melt-quenching method. The microstructural variation and electrochemical properties of this composite oxide were investigated at various SnO and Li₂O contents.