Hydrogen Silsesquioxane으로부터 제조된 고용량 리튬 저장 소재용 Si/SiOx 나노복합체의 리튬 저장 특성

Abstract

Current anode material of lithium ion batteries, graphite, has been limited to meet the requirements such as high capacity, high power, and long-term cycle performance for next-generation electric vehicles and mobile devices. Si-based anode materials have gained much attention because of their high theoretical capacity. However, the main problem associated with severe volume changes during cycling caused by Li+ insertion/extraction reactions, resulting in poor cycle performance. SiOx-based materials attracted a great deal of attention as high capacity Li+ storage materials for lithium ion batteries due to their high reversible capacity and good cycle performance. However, these materials still suffer from low initial Coulombic efficiency as well as high production cost, which are associated with the complicated synthesis process. In this study, Si/SiOx-based materials developed using simple and cost-effective routes based on the sol-gel reaction of triethoxysilane. To improve their electrochemical performances, this resulting Si/SiOx nanospheres were modified, such as, 1) surface modification using a carbon coating, 2) nanoengineering with porous structure and 3) compositional and structural modification using a core-shell structure, and 4) introduction of prelithiation process for boosting initial efficiency of Si/SiOx nanospheres. These approaches significantly improved the electrochemical performance, such as, initial Coulombic efficiency and rate capability of Si/SiOx nanomaterials as well as dimensional stability of the electrodes. These attractive features will be discussed in more detail.; 에너지 저장 장치로써 리튬이차전지는 높은 용량과 출력 특성, 그리고 장수명 특성으로 인해 각광받고 있다. 현재 흑연은 리튬이차전지의 음극으로 사용되고 있으나, 차세대 에너지 저장 장치로써 더 우수한 전기화학적 특성을 보이는 음극 소재의 개발이 요구되고 있다. 실리콘은 높은 이론용량 (3579 mAh g-1)과 낮은 전기화학적 환원전위 (~0.4 V vs. Li/Li+)를 가지는 장점으로 인해 많은 연구가 진행되고 있으나, 리튬과 반응시 큰 부피 변화가 수반된다. 이 때문에 음극 활물질의 분쇄가 일어나면서 집전체와 활물질간의 접촉이 떨어지고, 전해질의 계속되는 분해로 인해 불안정한 계면층 형성과 이로 인한 전해질의 고갈로 수명특성이 크게 저하되는 문제로 상용화에 어려움을 가지고 있다. 이를 해결하려는 연구들이 많이 진행되고 있으며, 그중 활성상의 실리콘 (Si)과 이를 둘러싼 비활성상의 실리콘 산화물(SiOx) 형태의 나노 복합체를 형성할 때 실리콘의 부피 변화를 크게 완화시킨다고 보고되고 있다. 그러나 Si/SiOx 나노 복합체들은 일반적으로 높은 공정비용과 복잡한 합성 방법을 통해 얻어지는데, 이 연구에서는 triethoxysilane을 이용한 sol-gel 반응을 통해 얻어진 전구체를 환원분위기에서 열처리하여 간단하고 경제적인 방법으로 Si/SiOx nanospheres를 합성하였다. 그러나 이 소재는 초기효율이 낮다는 단점 또한 가지고 있어, 추가적인 탄소 피복을 통한 전기전도도 확보, 다공성 구조로의 형태 변경, core-shell 구조를 통한 조성 및 구조 변화, 그리고 prelithiation공정 적용을 통한 방법들로 이 단점을 극복하려고 하였다. 동시에, 이 방법들을 통해 내부의 실리콘이 리튬과 반응시 효율적으로 부피변화를 제어할 수 있도록 하여 전극의 부피 변화를 최소화 시키려 하였다. 이들의 전기화학 특성과 전극 안정성에 대해 본문에서 더 자세히 다루려고 한다.