14족 물질의 다공성 구조 제어를 통한 전기화학적 특성향상에 관한 연구

Abstract

실리콘, 게르마늄, 주석과 같은 4족원소 물질은 높은 이론용량을 가지는 차세대 이차전지 음극물질의 후보군으로서 많은 연구가 이루어지고 있다. 이러한 물질들은 리튬이온과 합금되는 형태로 충방전이 이루어지며, 이로 인한 부피의 변화는 음극물질이 집전체에서 탈락되게 하여 수명특성을 떨어뜨리는 문제점이 있다. 이를 보완하고자 1차원, 다기공 등의 구조를 도입하여 부피 변화시의 스트레스를 해소하고자 하는 연구가 진행되어 왔다. 가장 높은 이론용량을 갖는 실리콘이 가장 주목받는 후보군이나, 고출력 전지의 음극물질로 사용되어지기에는 리튬이온의 확산성과 전기전도도가 낮다는 단점이 있다. 본 학위논문에서는 실리콘보다 우수한 이온확산성과 전기전도도를 갖는 게르마늄과 주석을 각각 리튬이차전지와 나트륨이차전지에 적용하기 위해 다공성 구조를 디자인하였다. 비정질의 이산화규소로 이루어진 단백석 형태의 구조에 게르마늄을 증착 후 이산화규소를 식각하는 방법으로 내부가 비어있는 단백석 형태의 게르마늄 음극을 리튬이차전지에 적용하였다. 다기공의 구조를 통해 수명특성을 향상시키는 동시에 표면의 기하구조를 제어하여 표면적을 극대화함으로써, 리튬이온의 드나듦이 용이하게 하여 전기화학적 특성을 향상시켰다. 또한 카메라 플래쉬로 산화그래핀을 환원시키는 방법을 이용하여 다공성의 그래핀의 제작을 가능하게 하는 방법론을 제시하였고, 이에 주석을 증착하여 나트륨이차전지의 음극으로 사용하였다. 그 결과, 게르마늄 음극은 약 1300 mAh g-1의 높은 충/방전 용량을 보이는 동시에 100 cycle에서 약 90%의 용량유지를 보이며 타 논문 대비 향상된 수명특성을 보였다. 또한 주석이 증착된 다공성 그래핀 음극은 615 mAh g-1의 가역용량과, 50 cycle에서 약 85 %의 용량유지를 보이며 기존 연구 대비 매우 향상된 성능을 보였다. 뿐만 아니라 두 전극 모두 우수한 율특성을 보여 고출력전지용 음극으로 적용되기에 적합함을 확인하였다.