게르마늄/BCN 코어/쉘 나노와이어의 합성 및 특성에 관한 연구

Abstract

최근 고성능 휴대용 전자 장치, 전기 자동차, 에너지 통합 시스템에 대한 수요 증가 및 성능의 향상에 따라 더 높은 전력, 용량, 수명, 충전속도를 갖는 리튬 이온 배터리 개발의 필요성이 확대되고 있다. 리튬 이온 배터리에서 용량과 충전 속도에 관여하는 음극재의 측면에서 현재 주로 사용되는 흑연은 낮은 용량을 갖고 있어, 이를 대체하기 위한 새로운 음극재의 개발을 필요로 한다. 실리콘, 게르마늄과 같은 IV족 반도체 소재가 이를 대체하기 위한 고용량 음극재로 주목받고 있으나, 부피 팽창에 의한 짧은 수명 문제가 있다. 본 연구에서는 수명과 충전속도, 충전용량을 향상시킨 음극재 개발을 목적으로 게르마늄 나노와이어 (GeNW)의 표면에 BCN 쉘을 성장시킨 Ge/BCN 코어/쉘 나노와이어 구조를 화학기상증착 공정으로 합성하였다. 또한 나노와이어의 성장, BCN 쉘 형성 공정이 합성과 이후의 열처리 만으로 이루어져 타 합성법 대비 합성이 용이하다는 장점을 가진다. 합성 결과, GeNW의 낮은 녹는점에도 불구하고 고온 열처리 공정에서 에피택시 성장 구조를 유지하고 있는 것을 확인해 BCN 쉘의 높은 열적 안정성을 확인하였다. 또한 합성 공정에 의해 Ge 코어가 고농도로 도핑되어 기존 Ge 나노와이어 대비 104 수준의 전기 전도도 향상을 확인하였다. 또한 BCN 쉘 형성 시 Ge 코어, BCN 쉘 계면 간에 산화물의 생성을 억제해 전기적 성질을 유지하는 것을 확인하였다. 이를 통해 Ge/BCN 코어/쉘 나노와이어 구조는 Li+ 이온의 충, 방전에 의한 부피팽창을 효과적으로 억제하고, 높은 안정성과 충전속도를 가져 차후 장수명 고성능 음극재 분야에 효과적으로 활용될 것이다.