AFD(Aerosol Flame Deposition)방법을 이용한 리튬 이온 전지용 SnO2, Sn/SnO2 음극물질의 합성 및 전기적 특성평가

Abstract

현재 상용화된 리튬이온전지의 음극으로 사용되는 흑연계 탄소의 경우 이론 용량 값인 372 mAh/g에 거의 근접한 350 mAh/g 정도의 용량을 나타내고 있다. 따라서 고용량의 차세대 리튬이온전지를 개발하기 위해서는 새로운 음극활물질의 개발이 필수적이다. 차세대 리튬이온전지의 음극재료로서 거론되는 물질 중에 Sn의 경우에는 큰 용량과 저렴한 가격, 제조의 용이성으로 인하여 많은 연구가 되었다. 그러나 초기 비가역 용량이 크고, Li 합금계의 고질적인 문제인 충․ 방전 중에 발생하는 큰 부피팽창으로 인하여 전극에 균열이 발생하고 그것이 진행됨에 따라 전극에 탈리가 발생하여 cycle 특성이 나빠지는 특징이 있다. 본 연구에서는 이러한 주석산화물의 첫 사이클에서의 큰 비가역용량 문제와 사이클 수명을 향상시키기 위해 aerosol flame deposition(AFD)법을 이용하여 나노크기의 SnO2 및 Sn/SnO2 composite을 합성하였다. 또한 전기화학적 특성 평가를 통해 리튬이온전지의 음극재료로서 사용가능한지 알아보고 최적의 조성을 찾는 것을 목적으로 하였다. AFD법으로 합성한 나노크기의 SnO2 및 Sn/SnO2 composite의 XRD, XPS, SAED 결과를 보면 JCPDS 카드 및 다른 문헌과 비교했을 때 제대로 합성된 것을 알 수 있었다. 또한 분석 결과 열처리 시간이 증가함에 따라 Sn의 양이 증가하는 것으로 나타났다. FE-SEM 및 TEM 분석결과 전체적으로 구형을 나타냈다. Particle size의 경우 SnO2는 약 5-10 nm 정도이고, Sn/SnO2 composite의 경우 열처리 시간이 증가할수록 particle size가 점점 증가하는 것으로 나타났고, 1시간부터 4시간까지 각각 20-30, 30-45, 45-60, 60-90 nm정도로 나타났다. 전기화학적 특성분석을 통해 각 전극의 용량 및 싸이클 특성을 알 수 있었다. SnO2 및 Sn/SnO2 composite 전극의 초기 방전용량은 각각 1744, 1476, 1180, 968, 843 mAh/g으로 나타났다. 각 전극의 초기효율은 각각 35.6, 38.0, 37.7, 32.5, 35.2 %로 나타났다. SnO2 및 Sn/SnO2 composite 전극의 15 cycle 까지의 결과를 보면 15 cycle 후에 각각 259, 327, 269, 175, 90 mAh/g이 남아 있어고, 초기 용량의 14.8, 22.2, 22.8, 18.1 10.7 %의 용량이 남아있었다. 전체적인 cycle 특성을 보면 열처리 시간이 증가할수록, 즉 Sn의 양이 많아질수록 용량은 감소하는 것으로 나타났다. 그러나 600 ℃에서 1시간 동안 열처리 한 Sn/SnO2 composite의 경우 SnO2 및 다른 Sn/SnO2 composite 전극보다 높은 cycle 효율을 나타냈다.; The aerosol flame deposition (AFD) technique was applied to synthesized nano-crystalline SnO2 powder from an aqueous precursor solution of the tin (IV) chloride. To produce Sn/SnO2 composite powders, as-synthesized SnO2 powder were heat-treated under 5% H2 and 95% Ar mixed gas atmosphere at a temperature of 600 oC 1~4 h. The results of XRD, XPS and SAED showed that the nano-crystalline SnO2 and Sn/SnO2 composite were well synthesized without any impurity phase. Also, these results showed that the Sn amount in the composites was increased with increasing the heat treatment time. Electrochemical results showed that the Sn/SnO2 composite by heat-treated at a temperature of 600 oC for 1 h has the best cycling behavior among all the samples. This composite electrode exhibited an initial capacity of 1476 mAhg-1 in the range of 0.01– 1.2 V and maintained a reversible capacity of above 327 mAhg-1 for more than 15 cycles which suggests that the composite anode improves the cyclability over pure SnO2 anode.