박테리아 템플릿을 이용한 주석 기반 리튬이온 이차전지용 나노복합전극 합성

Abstract

최근 이차 전지 사업은 휴대용 정보기기의 발달과 함께 빠르게 성장하고 있다. 또한 이산화탄소의 배출에 대한 규제와 화석연료 고갈에 따른 우려에 대하여 이차 전지는 이에 대한 전력 저장 매체로서의 대안으로 부각되고 있으며, 전기자동차의 상용화까지 더해져 이차 전지는 폭발적인 수요를 나타내고 있다. 이러한 이차 전지에서 전극소재는 전지의 성능을 결정짓는 중요한 요소로서 경제적이면서 고 효율을 가지는 전극 활물질을 개발하는데 전 세계는 초점을 두고 있다. 이차전지 중 리튬 이온 이차 전지는 산업 분야 및 일상생활 등의 여러 분야에 상용화 되어 사용되고 있다. 리튬 이온 이차 전지의 음극 재료로 대표적으로 사용되고 있는 흑연계열의 그라파이트 ( Graphite ) 는 충/방전 과정에서 구조는 매우 안정적이지만 이론용량 ( 372 mAh/g ) 이 제한적이고 탄소의 고유 밀도가 매우 낮아 전지 내 많은 부피를 차지하는 점으로 인해 미래형 디바이스에 적용하는 데에는 한계가 있다. 따라서 산업적 요구에 부합하는 리튬 이온 이차전지의 수요를 만족하기 위하여 기존의 상용화된 그라파이트를 대체 할 새로운 기술 기반에 충족하는 고성능 고효율의 전극 활물질에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다. 음극 재료로서 대체 가능한 다양한 조성의 금속산화물계 전극 소재와 나노 구조에 있어서 집중적인 연구개발이 이루어지고 있다. Sn과 SnO2 와 같은 주석 산화물은 그라파이트와 비교하여 매우 큰 고용량 ( 782 mAh/g ) 을 가지고 있어 많은 관심을 가지고 연구가 이루어지고 있다. 하지만 주석 산화물은 탄소 계열의 음극 재료와 달리 전지의 충/방전이 이루어 질 때의 리튬 이온의 삽입과 탈리 시 약 400 %의 큰 부피변화가 수반된다. 이 큰 부피 변화에 의해 발생하는 음극 활물질의 구조 분쇄와 활물질과 전해질의 분해 사이의 불안정한 계면층 생성 등 과 같은 문제들은 주석을 음극 재료로 상용화 하는데 있어서 치명적인 문제로 알려져 있다. 본 연구에서는 소프트 템플릿 ( Soft template ) 으로 박테리아를 사용하여 상온에서 주석 산화물 ( SnO2 ) 를 합성하고 이를 수소 ( H2 ) 기체를 이용한 환원 분위기에서 열처리 하여 주석 ( Sn ) / 주석 산화물 ( SnO / SnO2 ) / 비정질 카본으로 이루어진 rod 형태의 나노 복합체를 합성하였다. 그리고 이를 물성 평가 및 리튬 이온 이차전지의 음극 활물질로서의 적용 가능성을 전기화학적 특성 분석을 통하여 평가하는데 그 목적이 있다. 이러한 주석 기반의 나노 복합체는 XRD, SEM, TEM, FT-IR 같은 다양한 분석기기 등을 통하여 물성 분석을 시행하였고 전기화학적 특성 또한 평가 분석하였다.