은 전구체 기반 다공성 형성 및 저밀도 표면 코팅을 통한 재활용 실리콘 음극의 전기화학적 성능 향상에 관한 연구

국문 초록 (Abstract)

본 연구에서는 재활용된 폐실리콘의 구조적 변형을 통해 리튬 이온 배 터리(LIB)용 고성능 실리콘 기반의 음극재를 제조하였다. 기존 상용화되어 있는 흑연(372 mAh g-1)에 비해 약 10 배의 이론 용량을 가지는 실리콘 (4200 mAh g-1)은 미래 고에너지밀도 배터리에 대응하는 급속 충전기술에 유리하다. 하지만, 낮은 이온전도성과 사이클링 중 큰 부피팽창(약 400%) 문제는 상용화를 위해 개선되어야 할 사항이다. 본 연구에서는 이를 해결 하고자 Ag 를 통한 보조 화학 식각법을 사용하여 다공성 실리콘 구조를 형 성하고, Ag 가 실리콘 매트릭스 내에 존재하는 구조를 통해 이온전도성을 향상시키고 부피팽창 완충 공간을 제공하였다. 또한 그 표면에 저밀도 코 팅층 형성으로 기계적 안정성을 부여하였다. 최적화된 음극재 기반의 반쪽 전지는 1C-rate 에서 측정한 정전류 사이클링 테스트를 통해 기존 폐실리콘 에 비해 우수한 용량 유지율을 나타낸 것을 확인했으며, 주사전자현미경의 단면 분석을 통해 전극 단면의 팽창률이 크게 감소한 것을 확인하였다. 이러 한 다공성 구조, Ag 나노입자, 저밀도 코팅층의 상호보완 효과는 높은 전류 밀도에서의 고속 충전 기술의 가능성을 보여준다. 이러한 결과는 친환경 에 너지 솔루션을 위한 글로벌 노력과도 부합한다.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. 서론 1
• Ⅱ. 이론적 배경 3
• 2.1 리튬 이온 전지의 개념 및 구성 3
• 2.1.1 리튬 이온 전지 개념 3
• 2.1.2 리튬 이온 전지 구성 4
• 2.2 리튬 이온 전지용 음극재 9
• 2.2.1 탄소계 음극재 9
• 2.2.2 실리콘계 음극재 10
• Ⅲ. 실험방법 14
• 3.1 음극재의 물성 제어 14
• 3.1.1 폐실리콘 밀링 공정 14
• 3.1.2 복합체 제조 실험 14
• 3.2 물리화학적 특성 분석 17
• 3.2.1 전계 방출형 주사전자현미경(FE-SEM) 분석 17
• 3.2.2 투과 전자현미경(TEM) 분석 17
• 3.2.3 X 선 회절(XRD) 분석 17
• 3.2.4 비표면적(BET) 분석 18
• 3.3 전극 물질 제조 및 셀 조립 공정 19
• 3.4 전기화학적 특성 분석 21
• 3.4.1 순환 전압전류법(CV) 21
• 3.4.2 전기화학 임피던스 분광법(EIS) 21
• 3.4.3 Galvanostatic 사이클링 테스트 21
• 3.4.4 율속 특성(rate performance) 평가 22
• Ⅳ. 결과 및 고찰 23
• 4.1 입도별 재활용실리콘 음극 23
• 4.1.1 활물질의 물리화학적 분석 23
• 4.1.2 셀의 전기화학적 분석 24
• 4.2 다공성 실리콘 음극 32
• 4.2.1 활물질 및 전극의 물리화학적 분석 33
• 4.2.2 셀의 전기화학적 분석 34
• 4.3 Ag 포함 다공성 형성 혹은 표면 보호층 적용 실리콘 음극 41
• 4.3.1 활물질 및 전극의 물리화학적 분석 41
• 4.3.2 셀의 전기화학적 분석 44
• Ⅴ. 결론 57
• 참고문헌 58
• Abstract 63