탄닌산과의 가교결합을 이용한 실리콘 음극용 PVA 바인더의 성능향상에 관한 연구

국문 초록 (Abstract)

리튬 이차전지는 전기자동차와 에너지 저장 시스템의 확대로 인해 에너지 밀도와 수명 성능을 동시에 충족해야 하는 핵심 기술로 주목받고 있다. 현재 상용 음극재로 널리 사용되는 흑연은 우수한 안정성과 낮은 작동전위를 가지지만, 낮은 이론 용량(372 mAh g-1)으로 인해 차세대 배터리 기술에선 고용량의 한계가 존재한다. 이를 극복하기 위한 대체 음극재들로 다양한 소재들이 연구되고 있다. 이 중 실리콘은 흑연의 이론 용량 대비 약 10배 이상 높은 이론 용량(~4200 mAh g-1)을 가지고, 낮은 작동전위, 풍부한 매장량이라는 여러 장점이 있어 연구 되고있는 소재 중 유망한 소재로 꼽히고 있다. 그러나 실리콘은 충·방전 과정에서 최대 300%에 달하는 큰 부피 팽창이 발생하여 입자 파쇄, 전극 구조 붕괴, SEI 재형성과 같은 문제를 유발한다. 이러한 현상은 빠른 용량 감소와 수명 저하로 이어지기 때문에, 실리콘의 고용량 특성을 유지하면서 이러한 부피 변화와 계면 불안정을 효과적으로 억제하는 전략이 필수적이다. 이에 따라 최근에는 3D 구조 설계, 바인더 개질, 표면 코팅 등 다양한 방향에서 개선 연구가 활발히 진행되고 있다. 본 연구에서는 실리콘의 급격한 부피 팽창을 억제하고 전지의 수명 특성을 개선하기 위해 실리콘 음극용 바인더로 연구되고 있는 폴리비닐알코올(Polyvinyl alcohol, PVA)와 탄닌산(Tannic acid, TA)을 수소결합을 통해 가교하여 실리콘 음극재용 바인더를 합성하였다. PVA의 –OH 작용기와 TA의 다중 –OH그룹 및 카보닐기(C=O) 간에 형성된 가역적 수소결합 네트워크는 실리콘의 팽창·수축 과정에서 발생하는 기계적 응력을 완화하며, 전극 내 입자 간 결합력을 강화하였다. 그 결과 정전류 충·방전 평가에서 PVA-TA 바인더로 제작한 전극이 PVA 단일 바인더를 사용하여 제작한 전극 대비 0.5C의 전류밀도에서 200회 충·방전 동안 26% 이상 향상된 수명 특성을 나타내는 것을 확인하였다.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. 서론 1
• Ⅱ. 이론적 배경 3
• 2.1 이차전지 3
• 2.2 리튬 이온 전지 3
• 2.2.1 리튬 이온 전지의 구성요소 및 원리 4
• 2.3 리튬 이온 전지 음극재 7
• 2.4 실리콘계 음극재 10
• 2.5 실리콘계 음극재의 성능 개선 13
• 2.5.1 표면 개질 13
• 2.5.2 실리콘/탄소 복합체 13
• 2.5.3 바인더 개발 14
• 2.6 폴리비닐알코올 16
• 2.7 탄닌산 16
• Ⅲ. 실험 방법 18
• 3.1 소재 합성 18
• 3.1.1 PVA 바인더와 탄닌산 용액 제조 18
• 3.1.2 PVA, PVA-TA 필름 제조 18
• 3.2 전극 및 코인형 전지 제작 19
• 3.2.1 전지 성능 평가를 위한 음극 제작 19
• 3.2.2 전극 성능 평가를 위한 코인형 하프셀 전지 제작 19
• 3.3 물리적 특성 분석 21
• 3.3.1 X-선 회절분석기 (XRD) 21
• 3.3.2 주사 전자 현미경 (SEM) 21
• 3.3.3 퓨리에 변환 적외선 분광기 (FT-IR) 21
• 3.3.4 만능시험기 22
• 3.4 전기화학적 특성 분석 23
• 3.4.1 정전류 충 방전 분석 (GCD) 23
• 3.4.2 임피던스 측정 (EIS) 23
• 3.4.3 순환 전압 전류 평가 (CV) 23
• Ⅳ. 결과 및 토의 24
• 4.1 PVA-TA 바인더의 물리화학적 분석 24
• 4.1.1 바인더의 가교 형성 분석 24
• 4.1.2 바인더의 물리적 특성 분석 30
• 4.1.3 바인더의 기계적 접착력 분석 32
• 4.2 PVA-TA 바인더의 전기화학적 분석 34
• 4.2.1 전극의 정전류 충 방전법 평가 34
• 4.2.2 탄닌산 과량 첨가 영향 평가 40
• 4.2.3 순환 전압 전류 평가 43
• 4.2.4 임피던스 측정 45
• 4.3 전극의 열화도 평가 47
• 4.3.1 전극 단면 SEM 관찰 47
• Ⅴ. 결론 50
• 참고문헌 51
• Abstract 58
• 감사의 글 60