표제지
초록
Abstract
목차
1장 서론 20
1. 리튬 이차전지의 개요 20
1.1. 리튬 이차전지의 종류 및 특징 20
1.2. 리튬 이차전지의 원리 22
1.3. 리튬 이차전지의 구성요소 27
1.4. 리튬이차전지 음극소재의 종류 및 특징 47
1.5. 실리콘(Si)계 음극소재 특성 및 기술현황 49
1.6. 실리콘(Si) 음극소재의 연구동향 55
1.7. 실리콘 산화물(SiO) 음극소재의 특성 및 기술현황 61
1.8. 실리콘 산화물(SiO) 음극재의 연구동향 65
1.9. 학위 논문의 학습 동기 72
1.10. 논문의 범위 및 구조 74
2장 안정화된 고성능 리튬 이온 전지를 위한 이중으로 카본 코팅된 SiO 클러스터 개발 75
2.1. 이론적 배경 75
2.2. 실험 방법 78
2.2.1. CVD 공정을 이용한 탄소 코팅 SiO(c-SiO) 제조 78
2.2.2. CW-rGO/c-SiO-C의 제조 78
2.2.3. 재료특성평가 (Physical characterization) 79
2.2.4. 전기화학시험 (Electrochemical test) 80
2.3. 결과 및 토론 (Result & Discussion) 81
3장 비용 절감 목적의 LNG 가스를 이용한 리튬이온전지용 SiO 표면 코팅 기술 개발 109
3.1. 이론적 배경 109
3.2. 실험 방법 110
3.2.1. CVD 공정을 이용한 c-SiO 합성 110
3.2.2. 물리적 특성 분석 111
3.2.3. 전기화학적 측정 112
3.3. 결과 및 토론 113
4장 결론 130
5장 전망 132
References 133
표 1.1. 리튬이차전지의 분류. 21
표 1.2. 리튬이차전지의 양극활물질과 음극활물질의 이론용량. 25
표 1.3. 이차전지의 주요 구성요소. 28
표 1.4. 전이금속 산화물의 종류와 특징. 33
표 1.5. 리튬이차전지 분리막의 종류 및 특징. 36
표 1.6. 리튬이차전지 전해질 유형 및 특징. 40
표 1.7. 리튬이차전지 전해액 유기용매의 종류 및 특징. 42
표 1.8. 리튬이차전지 전해액 리튬염의 종류 및 특징. 43
표 1.9. 리튬이차전지 음극활물질 종류 및 특징. 45
표 1.10. 대표적인 음극활물질들의 주요 특성. 49
표 1.11. 실리콘과 실리콘 산화물 음극 활물질의 특성 비교. 62
표 1.12. SiOx계 음극 재료의 전기화학적 성능 비교. 71
표 2.1. 리튬이온전지의 음극재로서 SiO-C 복합재의 전기화학적 성능 비교. 102
표 3.1. C-SiO-LNG 및 C-SiO-CH₄의 Si 2p XPS 프로파일에 따른 Si의 Si Oxidation state. 119
그림 1.1. 리튬이차전지 내 전자와 이온의 이동 경로. 23
그림 1.2. 리튬이온 배터리의 구조. 27
그림 1.3. 리튬이차전지 구성요소의 원가 구조. 30
그림 1.4. 실리콘 음극재의 문제점. 53
그림 1.5. (a) 비정질 Si, (b) 계면 규소 아산화물, (c) 비정질 SiO₂의 원자 모델, (d) 비정질 SiO의 모델, (e) 비정질 SiO에 존재하는 5개의 원자... 56
그림 1.6. 계층적 상향식 조립체를 통한 Si/C 계층적 나노복합재 과립 제조 방법. 57
그림 1.7. yolk-shell Si/C 계층 구조 설계의 도식. (a) 종래의 슬러리 코팅된 Si NP 전극, (b) Si@void@C 전극은 각 Si NP 사이에 공극이 존재, (c)... 59
그림 1.8. 실리콘계 음극재의 종류와 산업체 비교. 61
그림 1.9. (a) d-SiO/vG의 모식도, (b) 320 mA/g (d)에서 d-SiO 및 d-SiO@vG의 사이클링 성능. 67
그림 1.10. d-SiO 의 제조를 위한 모식도. 68
그림 1.11. SiOx/C 하이드로겔의 (a)합성 과정을 나타낸 모식도, (b) 3.5mg/cm²의 질량 부하에서 SiOx/C 음극의 속도 능력, (c) SiOx/G 및...[이미지참조] 69
그림 1.12. SiO 상용화 목적의 개발 전략. 74
그림 2.1. CVD 공정 매커니즘 모식도. 77
그림 2.2. CVD 공정 전 SiO(p-SiO)의 구조적 특성: (a) SEM 이미지, (b) 확대 SEM 이미지, (c) TEM 이미지. 82
그림 2.3. CVD 공정 후 SiO(c-SiO)의 구조적 특성: (a) SEM 이미지, (b) 확대 SEM 이미지, (c) TEM 이미지. 83
그림 2.4. 모든 샘플들의 압력에 따른 분체의 표면 전도성 변화 그래프. 84
그림 2.5. CVD 공정 전후의 SiO의 물리적 특성. (a) p-SiO 및 c-SiO의 XRD. 85
그림 2.6. p-SiO 및 c-SiO의 Raman Spectrum. 86
그림 2.7. (a) p-SiO 및 (b) c-SiO의 XPS survey spectra. 88
그림 2.8. (a) Si2p 및 (b) C1s에 대한 c-SiO의 XPS 스펙트럼. 89
그림 2.9. Spray Dry 공정 모식도. 90
그림 2.10. CW-rGO의 (a) SEM 및 (b) TEM 이미지. 91
그림 2.11. (a) CW-rGO/c-SiO-C의 TEM 이미지 및 (b) 빨간색 원에 표시된 영역의 확대 이미지. 92
그림 2.12. CW-rGO/c-SiO-C의 구조적 특성: (a) SEM 이미지, (b) TEM 이미지, (c) 확대 TEM 이미지. 93
그림 2.13. CW-rGO/c-SiO-M의 구조적 특성: (a) SEM 이미지, (b) TEM 이미지, (c) 확대된 TEM이미지. 94
그림 2.14. CW-rGO/c-SiO-C 및 CW-rGO/c-SiO-M의 XRD. 95
그림 2.15. CW-rGO/c-SiO-C의 Si2p XPS 스펙트럼 (a) C1s 및 (b) Si 2p, CW-rGO/c-SiO-C의 (c) C1s 및 (d) Si2p XPS 스펙트럼. 96
그림 2.16. CW-rGO/c-SiO-C 및 CW-rGO/c-SiO-M의 Raman. 97
그림 2.17. CW-rGO/c-SiO-C 및 CW-rGO/c-SiO-M의 TGA 스펙트럼. 98
그림 2.18. 모든 시료의 전기화학적 특성 쿨롱 효율의 변화를 갖는 전극의 초기 비용량. 99
그림 2.19. 모든 시료의 200 Cycle 후 쿨롱 효율과 전극의 비용량 변화 비교. 101
그림 2.20. 0.1mV/s의 주사속도로 0.75A/g~ 3A/g 전류 밀도 변화에 따른 용량 변화. 103
그림 2.21. 리튬화/탈리튬화시 다양한 산화-환원 피크를 보여주는 1, 2, 3 사이클의 차동용량(dQ/dV). 104
그림 2.22. 0.01~2.0 V 구간에서 1~5번째 사이클의 CV 곡선. 105
그림 2.23. XPS를 이용한 (a) CW-rGO/c-SiO-M의 C 1s, (b) CW-rGO/c-SiO-M의 Si 2p, (c) CW-rGO/C-SiO-C의 1s, (d) CW-rGO/C-SiO-C의 Si 2p의... 107
그림 2.24. 0.75A/g에서 200 cycle 전·후 단면 SEM 이미지, (a) p-SiO 200Cycle 전, (b) p-SiO 200Cycle 후, (c) C-CSO 200Cycle 전, (d) 200Cycle... 108
그림 3.1. (a1~2) p-SiO, (b1~2) C-SiO-LNG 및 (c1~2) C-SiO-CH₄의 SEM 이미지. (d1~4) p-SiO (e1~4) C-SiO-LNG 및 (f1~4) C-SiO-CH₄의 TEM 및... 114
그림 3.2. p-SiO, C-SiO-LNG, C-SiO-CH₄의 Raman 스펙트럼. 116
그림 3.3. p-SiO, C-SiO-LNG, C-SiO-CH₄의 XRD. 117
그림 3.4. p-SiO, C-SiO-LNG, C-SiO-CH₄의 TGA 스펙트럼. 118
그림 3.5. XPS를 이용한 (a) C-SiO-LNG, (b) C-SiO-CH₄의 Si 2p 이온상태 분포 분석. 120
그림 3.6. XPS를 이용한 C-SiO-LNG의 S 2p 이온 분석. 121
그림 3.7. (a) p-SiO, (b) C-SiO-LNG, (c) C-SiO-CH₄의 CV 곡선. 123
그림 3.8. (a) 0.3~3.0 A/g 범위의 다양한 전류 밀도에서의 레이트 성능 (b) 0.15 A/g에서 5회의 초기 활성화 사이클 후, 0.75 A/g에서 p-SiO, C-SiO-... 125
그림 3.9. C-SiO-LNG 및 C-SiO-CH₄의 가스 가격당 용량 비교. 126
그림 3.10. p-SiO, C-SiO-LNG 및 C-SiO-CH₄ 의 Nyquist Plot은 5개의 활성화 사이클 (a) 이전 (b) 이후 (삽입된 등가 회로는 고주파 영역의 데이... 127
그림 3.11. 각 샘플의 200 사이클 전후의 전극 단면 SEM 이미지. (a) p-SiO 전극의 (a) 사이클링 전, (b) 사이클링 후, C-SiO-CH₄전극의 (c) 사이클링... 129
도면 2.1. 이중 탄소 시스템으로 디자인된 SiO 복합체 제조방법. (a) CW-rGO/c-SiO-C, (b) CW-rGO/c-SiO-M. 79
도면 3.1. 전구체 종류에 따른 카본 코팅 공정 차이점 비교. 111