| 학회 | 한국재료학회 |
| 학술대회 | 2014년 가을 (11/27 ~ 11/28, 대전컨벤션센터) |
| 권호 | 20권 2호 |
| 발표분야 | C. 에너지/환경 재료(Energy and Environmental Materials) |
| 제목 | 마이크로-나노 구조물이 형성된 음극 제조 및 이를 이용한 고효율 리튬 이온 이차 전지 제작 |
| 초록 | 휴대용 전자기기들이 발달함에 따라, 자연스럽게 이차 전지와 같은 에너지 저장 장치들의 고성능화와 고효율화가 중요해졌다. 그 가운데 리튬 이온 이차 전지가 가장 높은 표준 산화환원 전위 (3.5V)를 가지고, 좋은 사이클 특성과 낮은 자가 방전률을 가져 촉망 받는 전지로 평가 받고 있다. 특히, 실리콘을 음극 소재로 사용할 경우 상용화된 탄소바탕의 음극 소재에 비해 약 10배의 매우 높은 이론용량을 가져 고용량화를 이룰 수 있다. 하지만, 실리콘의 경우 리튬 이온이 출입을 하면서 기존의 400%에 달하는 부피변화가 발생한다. 이러한 부피팽창은 낮은 C-rate에서도 리튬 이온의 삽입과 탈리 과정에서 실리콘의 크랙을 유발하게 되고, 결국에는 실리콘이 집전체로부터 떨어져나가는 현상을 초래하여 리튬 이차 전지의 용량을 감소시키고 수명을 줄어들게 한다. 니켈 폼이 가지는 넓은 표면적에 의한 실리콘의 loading density를 늘리기 위해 니켈 폼을 리튬 이온 이차 전지의 집전체로 사용하였다. 이 경우에도 리튬 이온의 출입과정에서 앞서 말했던 크랙과 실리콘이 떨어져나가는 현상이 발생하였다. 이 현상을 막기 위해서 마이크로-나노 크기의 구조물을 집전체에 형성하는 방법이 있다. 본 논문에서는 마이크로-나노 구조물을 형성하기 위해 습식 식각 공정을 이용하였고 식각제로 nickel etchant type-I을 사용하였다. 습식 식각공정 후 200 ℃에서 LPCVD를 통해 비정질 실리콘을 니켈 집전체 위에 증착하였다. 습식 식각 공정을 거친 니켈 폼과 일반 니켈 폼을 음극으로 2013-type half-cell을 만들어 cycle test를 진행했을 때, 습식 식각 공정을 거친 니켈 폼의 경우가 일반 니켈 폼에 비해 약 10% 정도 높은 용량을 보여주었고 cycle retention 또한 높게 나왔다. 이러한 결과는 습식 식각 공정을 통해 형성된 마이크로-나노 구조물이 니켈 폼에 형성됨으로써 니켈 폼의 표면적 증가한다는 것을 의미한다. 또한, 형성된 마이크로-나노 구조물들은 집전체와 음극 활물질 (비정질 실리콘) 사이의 결합을 강하게 해주어 비정질 실리콘이 집전체로부터 떨어져 나가는 것을 막아줄 수 있다. |
| 저자 | 현석, 이헌, 신주현, 유상우, 유연재 |
| 소속 | 고려대신소재공학부 |
| 키워드 | 비정질 박막 실리콘; 습식 식각; 마이크로-나노 구조물 |
