리튬이온 이차전지 음극용 니켈-실리콘 나노복합체의 합성 및 전기화학적 물성

Abstract

최근 리튬이차전지는 휴대전화, 노트북, 카메라 등 소형 휴대용 IT 제품의 보급 및 확대와 함께 향후 다가올 EV, HEV 등 중대형 에너지 저장 장치로 전 세계적인 관심과 수요가 늘어남에 따라 오늘날 정보화 사회에 필수적인 요소로서 중요성을 더하고 있다. 리튬 금속은 가볍고 에너지 밀도가 높으며 작동 전위(-3 V)가 낮아 이상적인 음극 재료이나 충·방전 싸이클이 진행됨에 따라 발생하는 리튬 금속의 부피변화와 표면에 생성되는 가지상 성장물로 인해 특성이 저하되고 안정성 문제가 초래함에 따라 탄소계 음극재료인 흑연을 채택함으로써 구조적으로 리튬이 삽입 및 탈리가 가능해지고 안정성이 확보되어 상용화가 되었다. 하지만 흑연의 낮은 이론적 용량(372 mAh g-1)은 한계에 이르렀으며 고용량, 고밀도를 요구하는 대용량의 차세대 에너지 저장 장치에는 적용하기 어려운 것으로 여겨지고 있다. 지난 20 년간 리튬 이차전지는 소형 IT기기의 전원으로 광범위하게 이용되었고 향후 산업적 수요를 만족시키기 위해 전지를 구성하는 재료의 혁신이 요구되고 있다. 그에 따라 고용량을 가진 합금계 물질(Si, Ge, Sn 등)에 대한 연구가 활발히 진행되고 있으며, 합금화 반응을 통해 높은 용량은 나타낸다. 특히, 실리콘은 4200 mAh g-1의 높은 이론적 용량에도 불구하고 리튬과 반응시 급격한 부피 변화를 수반하게 되면서 스트레스로 인해 지속적 충·방전 싸이클 중 전극이 분쇄되고 집전체로부터 탈리되면서 전기적 접촉이 떨어져 본래의 용량과 특성을 잃는 단점 때문에 응용이 제한적이며 니켈이나 구리등의 전도성 금속 뿐만 아니라 저마늄이나 주석에 비해 저항이 높은 것도 단점으로 지적되고 있다. 실리콘의 단점을 극복하기 위해 고안된 방법 중, 다양한 합성루트를 통해 0, 1, 2차원 등의 구조적인 변경이나 코어-쉘 (core-shell), 카본계 재료인 graphene이나 CNT 등과의 복합체를 형성해 향상된 특성을 구현하려는 연구가 진행중이며 최근에는 리튬과 반응하지 않는 금속(Ni, Ti)과 혼합하여 충·방전시 발생하는 전극의 부피변화를 억제 및 완화시키고 구조적 안정성을 향상시키는 연구가 활발히 진행되고 있으나 고가의 공정이고 two-step 이상의 공정을 통해 합성해야 하는 단점을 가지고 있다. 따라서 본 연구에서는 실리콘이 분산된 올레산용매에 니켈와이어를 전구체로 사용하여 간단하며 저렴한 공정인 액중 전기전폭발법을 적용하였으며 실리콘 함량을 다르게 하여 최적의 Ni-Si 나노복합체의 조합을 찾았다. 또한 얻어진 분말들은 XRD, SEM, TEM, BET, EPMA 등의 다양한 분석을 통해 비교하였으며, 리튬이차전지 음극활물질로써 전기화학적 특성을 분석하였다.