미세구조 제어를 통한 규소 기반 음극 물질의 리튬 저장 특성 개선

Abstract

현재 리튬이차전지는 현대 생활 필수품인 스마트 폰 및 노트북과 같은 휴대용 전자 기기에 전원을 공급하는 에너지 저장 장치로서 대체 할 수 없는 역할을 해오고 있다. 리튬이차전지의 가장 두드러진 이점은 에너지 및 전력 밀도가 다른 실사용이 가능한 이차전지의 에너지 및 전력 밀도보다 우수하다는 것이다. 또한 리튬이차전지는 에너지 효율이 높고 자체 방전이 적으며 메모리 효과가 적고 개방 회로 전압이 높아, 초소형 기기 (의료 기기, 마이크로 일렉트로닉스, 집적 회로)에서 대규모 신재생 에너지 저장 시스템에 이르기까지 광범위한 분야에 그 영향력을 미치고 있다. 중간 크기의 응용 분야에서 최근의 전기 운송 시스템은 빠르게 성장하고 있습니다. 특히, 내연기관 차량에 필적하는 장거리 주행 전기차를 위해 고용량의 이차전지가 요구되고 있다. 그러나 현재의 흑연 음극 기반 리튬이차전지는 흑연의 낮은 중량 및 부피 에너지 밀도로 인하여 현재의 에너지 요구를 충족시킬 수 없다. 따라서 종래의 저용량 흑연 음극은 다른 고용량 물질로 대체되어야 하는데, 최근 흑연보다 10 배 높은 이론적 용량을 가진 Si을 리튬이차전지의 음극으로 사용하고자 하는 노력이 이루어지고 있다. 그러나, Si의 실제 사용은 Si와 Li 사이의 합금화 및 탈 합금 반응 동안 Si의 큰 부피 변화로 인하여 어려움을 겪고있다. Si의 부피 팽창과 수축은 Si 입자의 분쇄, 전극 성분 사이의 박리 및 활물질에 SEI의 축적과 같은 단점을 초래하여 사이클 동안 상당한 용량 저하를 초래한다. 따라서 Si을 음극 물질로 사용하기 위해, 충∙방전 과정에서 발생하는 Si의 부피 변화에 의한 부작용을 완화해야 한다. 최근 Si 기반의 다공성 물질은 내부의 빈 공간이 Si의 부피 팽창을 수용 할 수 있어, 리튬이차전지의 음극으로서 뛰어난 전지 성능을 나타낼 수 있음이 밝혀졌다. 다만, Si 기반 다공성 물질의 제조 방법에 있어 불산과 같은 유해 물질의 사용이 지배적이기 때문에 대량 생산을 하는데 제약이 따른다. 본 연구에서는 직접적이고, 비독성이며, 확장 가능한 방법으로 미세 구조를 제어하여 Si 기반 다공성 물질들을 얻을 수 있는 방법을 제안하며, 상기 방법으로 제조된 다공성 구조의 Si 기반 다공성 재료들을 리튬이차전지의 음극으로 적용하였을 때 향상된 리튬 저장 특성을 갖는 것을 확인하였다. 따라서, 본 연구의 결과가 차세대 리튬이차전지에 적용될 수 있는Si 기반 다공성 음극 물질의 대량생산에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.