리튬이온전지 성능 향상을 위한 열유도 겔화법에 의한 합성과 그래핀 산화물로 개질된 SiOx/C 음극재의 연구 = Study on SiOx/C Anode Synthesized by Thermally Induced Gelation Method and Modified with Graphene Oxide for Enhanced Lithium-Ion Battery Performance

국문 초록 (Abstract)

SiOx는 높은 이론용량을 갖는 유망한 리튬이온배터리(LIBs)용 음극 소재이지만, 구조적 불안정성, 낮은 전기전도도, 그리고 제어되지 않은 solid electrolyte interface(SEI) 성장으로 인해 실제 응용에는 한계가 존재한다. 본 연구에서는 graphene oxide(GO)를 SiOx/C 음극에 다기능성 첨가제로 도입하여 LIBs 성능을 향상시키는 전략을 체계적으로 조사하였다. SiOx/C는 열유도 sol–gel 공정을 통해 합성되어 균일성과 제조 효율이 향상되었으며, 빠른 가교 반응을 통해 효과적인 SiOx/C 구조 형성이 가능하였다. GO의 도입은 SEI 층의 안정화를 촉진하여 사이클링 안정성을 향상시키고, 지속적인 전해질 분해를 억제하였다. 또한 GO 내 산소 기반 기능기들은 pseudocapacitive 특성을 부여하여 전체 용량 향상에 기여하였다. GO의 높은 전기전도도는 전자 전달을 가속화하여 우수한 rate capability를 구현하였다. 더불어 GO는 구조적 binder 역할을 수행하여 SiOx/C 입자들의 응집을 방지하고 장기 사이클링 동안 전극 구조를 안정적으로 유지하였다. 그 결과, 15% GO-SiOx/C 음극은 0.5 A/g에서 500사이클 후 583.8 mAh/g의 높은 가역용량을 나타냈으며, 1 A/g 조건에서도 350사이클 후 498.3 mAh/g의 우수한 수명 특성을 확보하였다. 사이클 후 분석 결과, GO가 적용된 전극은 구조적 안정성이 유지됨이 확인되었으며, 이는 GO가 SiOx의 부피 팽창을 완화하고 안정적인 SEI 형성을 촉진하는 데 효과적임을 뒷받침한다. 본 연구는 다양한 carbon 기반 소재와의 hybridization을 통해 SiOx 음극의 한계를 극복하고 성능을 향상시키는 데 활용될 수 있는 전략적 방향을 제시한다.

목차 (Table of Contents)

• Abstract iii
• List of Figures v
• List of Tables vii
• 1. Introduction １
• 1.1. Literature Survey ５
• 1.1.1. Lithium-Ion Battery anode ５
• 1.1.2. SiOx (literature survey) ７
• 1.2 Background 1０
• 1.2.1. Basic principle of Lithium-ion batteries １０
• 1.3. Objective １３
• 2. Experimental Section １４
• 2.1. Chemicals and Materials １４
• 2.2. Preparation of the bare SiOx/C １４
• 2.3. Preparation of GO-SiOx/C １５
• 2.4. Characterization １５
• 2.5. Cell assembly １６
• 2.6. Electrochemical measurements １７
• 3. Results and Discussion １９
• 3.1. Synthesis and characterization １９
• 3.2. Electrochemical performances ２９
• 3.3. Post-cycling investigations ３８
• 3.4. Mechanistic insights into structural evolution of electrodes during cycling ４２
• 4. Conclusions ４４
• 5. References ４５