시트르산과 폴리에틸렌 글리콜로 분산코팅한 실리콘 음극의 수명 및 출력특성 연구

Abstract

향후 전기 자동차 시장의 규모가 커질 것으로 예상되고 있는 가운데, 전기자동차에 탑재되는 전지는 보다 더 고출력과 고용량화의 방향으로 개발되어야 한다. 그리하여 이론적 용량이 가장 큰 음극으로 알려진 실리콘의 개발이 진행되고 있는데, 리튬 충방전시의 부피변화가 300%에 달하여 전지의 수명안정성 문제가 있고 또한 실리콘의 전도성이 낮아 고출력을 얻지 못하고 있는 실정이다. 이에 많은 연구자들이 실리콘의 부피팽창을 완화하고 전도성을 높이는 목적으로 실리콘-탄소 복합체에 대한 연구를 진행해왔다. 기존의 연구들은 carbon particle, carbon nano-tube, graphene 등의 다양한 탄소구조체로 실리콘을 코팅하지만, 전해질에 실리콘이 노출되는 부분이 존재하고, 탄소의 양이 실리콘에 비해 많아 중량당 용량이 실리콘에 비해 많이 낮았다. 이 연구에서는, 시트르산과 폴리에틸렌 글리콜(PEG)을 통해 분산 코팅한 실리콘 나노입자- 그라핀 복합체를 합성하였다. 이 연구의 특징은 분산 코팅을 통해 코팅 후에도 입자를 나노 크기로 유지함으로써 실리콘의 부피팽창율을 근본적으로 줄였으며, 입자간 계면 저항을 낮춘 것이다. 그리하여 PEG 분산 코팅된 실리콘나노입자-그라핀 복합체는 사이클 안정성이 향상되었으며(739mAh/g @ 100 사이클, 쿨롱효율98%), 고 전류밀도에서 용량을 유지함으로써 파워출력 또한 향상되었다. 임피던스 분석을 통해, 실리콘 입자표면의PEG코팅이 SEI층의 저항 및 실리콘 입자 표면의 저항을 낮춘 것을 확인하였다. 이는 향상된 수명 특성 및 파워특성을 뒷받침한다. 시트르산과 PEG를 이용한 분산코팅은 부피팽창이 큰 다른 전극물질에 적용이 가능하며, 기존의 나노 입자를 코팅해왔던 기존의 CVD 공정보다 더 간단하며 경제성이 있다.