3차원 셀 구조 주석-니켈 합금 전극 소재의 전기화학적 합성 연구

Abstract

휴대용 전자 기기 및 전기 자동차와 같은 에너지 저장 시스템이 널리 상용화됨에 따라, 더 작고, 가볍고, 작동시간이 길고, 안정성이 높은 배터리에 대한 요구가 증가하고 있다. 이에 따라 충전이 가능한 리튬 이온 이차 배터리의 충◦ 방전 안정성 및 비용량 증가에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다. 고출력, 고효율, 고안전성의 리튬 이온 이차 배터리 개발을 위해서는 충◦ 방전 과정 중 발생하는 리튬 이온의 삽입◦ 탈 리튬화 과정에서의 큰 부피 변화로 인한 파괴와 이론적인 비용량의 한계를 극복해내야 한다. 현재 전통적으로 사용되고 있는 탄소 전극의 경우 372 mAh/g의 낮은 이론적인 비용량 값의 한계를 가지고 있다. 또한 탄소 전극의 경우, 리튬 이온의 삽입◦ 탈 리튬화 과정에서의 매우 큰 부피 변화로 사이클의 진행에 따라 급격한 성능 저하를 보이고 전지의 안전성에도 문제를 가지고 있다. 따라서 그 한계를 극복하기 위해 많은 소재들이 실험되고 있는데, 그 중 주석(Sn) 전극은 991 mAh/g의 높은 이론적 용량 덕분에 탄소전극의 대체자로 주목 받고 있다. 하지만, 순수한 주석 전극의 경우 탄소전극과 마찬가지로 리튬 이온의 삽입◦ 탈리튬화 과정에 의한 낮은 사이클특성을 나타내고 있다. 이를 극복하기 위해 첨가된 여러 합금 원소 중, 니켈(Ni) 이 첨가된 주석-니켈 합금 전극에서, 니켈이 리튬 이온의 삽입◦ 탈 리튬화 과정에서 완충재 역할을 할 수 있다. 따라서 주석-니켈 합금전극은 높은 이론적인 비용량을 가지면서 안정적인 사이클 특성을 나타내는 전극에 대한 가능성을 보이고 있다. 또한 이러한 전극을 다공체 형태로 제작하여, 집전체와 전극의 역할을 동시에 수행할 수 있는 전극재료에 대한 연구가 진행되었다. 집전체는 외부 도선에서 제공되는 전자를 전극 활물질에 공급하기 위한 중간 매질 역할을 하며, 높은 전기 전도도와 전기화학 반응을 위한 표면적 및 안정성이 필요하다. 이러한 집전체를 다공체 형태를 가지는 3차원 셀 구조로 형성함에 따라, 이차전지는 여러 장점을 가지게 된다. 3차원 셀 구조로 인한 낮은 밀도는 충◦ 방전 과정 중 발생하는 부피팽창에서 완충제 역할을 하고, 전기화학 반응을 위한 넓은 표면적을 가져 한번에 많은 전극 활물질에 전자를 공급할 수 있게 된다. 그리고 전해액의 침투로 인한 빠른 리튬 이온의 이동이 가능하다. 다공성 집전체의 형성은 PVD, CVD, 무전해 도금, 전해 도금 등의 다양한 공정이 있지만 단일 공정으로 형성이 가능하여 저렴하고, 첨가제와 같은 다양한 변수를 조절하여 원하는 형태의 막질을 얻어 낼 수 있는 전해 도금법을 사용하여 실시하였다. 전해도금공정을 통해 도금액의 종류, pH, 증착 시간, 전류 및 전위 등의 변수를 조절하여 주석-니켈 합금의 형상, 두께, 조성을 제어하였다. 이 논문에서는 주석-니켈 다공성 합금 전극을 형성하기 위해 200 µm의 기공 사이즈를 가지는 폴리우레탄 템플릿을 사용하였다. 폴리우레탄 템플릿에 전해 도금을 실시한 후 증착된 주석-니켈 합금을 열처리하여 폴리우레탄 템플릿을 제거하여 전극으로 사용 가능할 정도의 충분한 기계적 강도를 지는 순수한 합금 다공성 전극을 형성하였다. 이 과정에서, 다양한 변수 조건 설정을 통해 주석-니켈 합금 막질의 특성 및 두께, 다공체의 기공 크기를 제어하는 연구를 수행하였다.