박막전지를 위한 역반구 구조를 갖는 $Li_4Ti_5O_{12}$ 음극의 제조와 물성에 관한 연구

Abstract

1991년 소니사에 의해 Li-ion 배터리가 상품화된 이후 소형 모바일 전자제품의 전력원의 수요가 급격히 증가하고 있다. 최근 on-chip형태로 만들 수 있는 MEMS (Micro-Electro-Mechanical System) 소자의 전력 공급원에 대한 새로운 수요가 커지고 있다. 따라서 박막전지(TFLIB)가 MEMS소자의 전력공급원을 위한 해결책으로 제시되었다. 전고상 물질로 만들어지는 박막 Li-ion 전지는 매우 유용한 형태의 배터리이다. 그러나 TFLIB가 액체전해질보다 저온에서 이온 전도도가 매우 낮은 고체전해질을 전해질로 구성되어야 하므로 약간의 제약이 있다. 그리하여 일부 연구자들에 의해 구조를 갖는 박막전지를 통해 더 좋은 물성을 얻으려는 제안을 하였다. 그러나 구조를 갖는 TFLIB를 제조하는 대부분의 방법들은 매우 비싸고 복잡하다. 그리하여 본 연구에서는 싸고 간단한 졸겔법을 통해 역반구 구조를 갖는 음극을 제작하는 방법을 제안한다. 중방전 동안 부피변화가 거의 없다고 알려진 $Li_4Ti_5O_{12}$ 이 음극 활물질로 선택되었다. 지름 400nm 폴리스티렌(PS) 비드를 이용해 역반구 구조의 음극을 제작하였다. 딥코팅 방법으로 Pt기판 위에 폴리스티렌 비드 단층을 올렸다. Drip 코팅법으로 $Li_4Ti_5O_{12}$ 용액이 Pt기판과 비드 단층 사이의 공간에 채워졌다. 용액의 용매와 PS비드는 각각 120℃와 400℃로의 단계적 열처리를 통해 기화되었다. $Li_4Ti_5O_{12}$ 용액의 최적 농도는 0.05M이다. $Li_4Ti_5O_{12}$ 의 최적 결정화 온도는 600℃이다. PS비드의 기화 온도는 TG분석(Thermo-Gravimetric Analysis)을 통해 측정되었다. 제작된 전극의 구조는 SEM(Scanning Electron Microscope)을 이용해 관찰하였다. 결정구조는 XRD(X-Ray Diffractometer)를 통해 확인하였다. 그리고 전기화학적 물성을 측정하기 위한 충방전 테스트를 시행하였다. 고율 충방전 테스트의 결과에 따라 값싸고 간단한 방법으로 제작된 역반구 구조를 갖는 $Li_4Ti_5O_{12}$ 음극이 평평한 박막 전지보다 좋은 사이클 특성을 가짐을 확인하였다.