SIOX 와 탄소 복합체를 활용한 이차전지 효율 향상

실리콘 계열의 첨가물을 통해서 카본 실리콘 옥사이드 음극재의 전기저 특성이 변하는 것이 확인되었다.

차세대 리튬 이차 전지는 높은 에너지 밀도가 요구되고 있다. 또한 긴 사이클 수명 및 고안정성의 특성 또한 요구되고 있다.

하지만 기존의 리튬 이차전지는 낮은 용량의 흑연 음극 소재를 주료 사용하여 전기차용 배터리의 높은 에너지 밀도의 고성능 전원의 요구 사항을 충족할 수 없었다.

이에 리튬 이차전지의 에너지 밀도를 향상시키기 위하여 차세대 음극 재료로 실리콘 산화물이 많이 연구되고 있다.

 

실리콘 산화물 / 탄소 복합체

실리콘 산화물은 낮은 전기 전도도 및 충방전시 부피 팽창에 따른 전해질과 접촉면층의 연속적인 형성 파괴를 초래하여 낮은 초기 효율 및 급격한 용량 감소를 야기한다.

이를 해결하기 위하여 높은 전기 전도도 및 결정 구조를 갖는 탄소소재를 혼합하여 실리콘 산화물/탄소 복합체를 구성하게 되면 이차 전지의 효율을 향상할 수 있는 연구 결과가 나왔다.

높은 결정 구조를 갖는 탄소 소재의 경우 실리콘 산화물의 부피 팽창을 억제시켜주며 사이클 안정성을 향상시키는데 도움을 준다.

하지만 실리콘 산화물의 함량이 증가함에 따라 부피 팽창 응력도 증가하기 때문에 오히려 복합체 구조의 안정성이 떨어지는 것이 관찰되어 이를 해결하기 위해 다공성 구조를 활용한 실리콘 산화물/탄소 복합체를 이용하여 실리콘 산화물의 부피 팽창으로 인한 기계적 응력을 최소화하여 구조 안정성까지 향상할 수 있다.

이때 복잡한 다공성 구조를 형성하기 위해서는 소재 활용에 한계가 생기는데 큰 비표면적 및 높은 전기 전도도를 갖는 카본 블랙을 구조적 안정제로 첨가하여 복합체를 사용하면 이를 해결할 수 있다.

카본 블랙은 95~99%의 탄소가 콜로이드 형태의 미세입자로 형성되어 있고, 표면적이 넓고 전도성이 강한 표면으로 형성되어 있다.

 

결론

[Initial efficient.(%)]
CB/S/C-0 : 65
CB/S/C-6 : 66
CB/S/C-8 : 71
CB/S/C-10 : 72
CB/S/C-20 : 71

 

산화물, 카본 블랙 및 피치를 혼합하여 다공성 구조의 산화물/탄소 복합체를 제조하고 제조된 복합체의 산화물의 함량에 따른 전기화학적 특성을 분석해 보았다.

산화물을 첨가함에 따라 복합체의 충방전시의 초기 효율 및 율속 특성이 향상되는 것을 확인할 수 있었다.

산화물의 함량이 증가함에 따라 전기 용량 또한 향상 되었다.

이를 통해 복합체의 카본 블랙에 의한 다공성 구조 형성이 산화물에 미치는 영향을 알아볼 수 있다.

앞의 연구 결과를 단순히 요약하면 실리콘 산화물에 카본계열 소재를 이용하여 복합체를 만들고 이를 음극재로 사용하면 효율과 안정성의 두 마리 토끼를 잡을 수 있다는 결론을 얻을 수 있다는 것이다.

기본이 되는 소자가 뼈대라면 이곳에 각종 복합체나 소재를 추가하여서 살을 붙이는 것이 현재 이차전지 소재 개발의 주류인 모습을 알 수 있다.

 

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