리튬 이차전지용 실리콘 계 음극 활물질 제조 시 금속 산화물 첨가에 따른 미세구조 및 전기화학적 특성에 대한 연구

Abstract

현재 휴대기기의 보편화, 에너지 절감, 환경 보호의 필요성에 따라 이차 전지가 매우 중요한 국가 전략산업으로 대두되고 있다. 소형 휴대 기기 시장은 리튬 이온 전지가 주를 이루고 있으며, 계속되는 성능 향상으로 하이브리드 자동차 (HEV), 전기 자동차 (EV) 등 중대형 전지 시장도 성장하게 될 것이다. 향후 기술 발전은 음극 및 양극 재료의 고 용량화를 위해 지속적으로 용량이 증가될 것이며 Ni-Cd 전지나 Ni-MH전지와의 용량 차이는 더욱 커지게 될 것으로 보인다. 리튬 이온 전지는 양극, 음극, 전해질, 분리막 등으로 구성되어 있으며, 양극에는 LiCoO2, 음극에는 흑연 등 탄소가 주로 사용 되어진다. 카본 계 음극 소재는 낮은 가격과 안정성이 높은 점 외에도 장점이 많지만 이론적 용량이 372mAhg-1 으로 제한되기 때문에 고 용량화를 요구하는 현재의 추세에 한계가 있다. 따라서 카본계 음극 소재를 대체할 수 있는 물질을 찾기 위한 많은 연구가 진행 중이다. 그 중 리튬과 합금 화 반응을 하는 소재는 에너지 밀도가 높아 고 용량화에 대한 요구를 만족할 수 있는 음극 소재이지만, 충전과 방전과정이 반복되면서 전극이 큰 부피 변화로 인해, 전기 화학적 특성이 급격히 열화 되는 현상이 발생되는 문제가 있다. 이러한 열화 문제를 해결하기 위해 많은 연구가 이뤄지고 있으며, 복합화 된 소재를 이용하여 열화 문제를 억제하기 위한 연구로 집중되고 있다. 본 연구에서는 합금 계 중 이론적 한계 용량이 가장 높은 비정질 실리콘 합금을 주된 활물질로 이용하고, 비정질 실리콘 합금의 부피 팽창에 대한 문제를 해결하기 위해 고 에너지 기계적 합금 (High Energy Ball Milling)법을 통해 산화물 계 금속재를 첨가하여 실리콘 계열 합금에 산화물 계를 포함시킨 새로운 소재 개발 및 Free 실리콘의 산화를 진행하였다. 이를 통해 얻어진 분말들은 FIB, TEM, EELS 분석을 통해 비교하였고, 이를 통해 리튬 이온 전지 음극 활물질로써 전기화학적 특성을 분석하였다.

주제어 : 리튬 이차전지, 실리콘, Si 계 음극 활물질, 기계적 합금화, 금속 산화물, Li 이온, 전지 충 방전, Si 나노 입자, 볼밀