리튬이온 이차전지용 폐유리를 이용한 고용량 실리콘 음극재 합성
Synthesis of High Capacity Silicon Anode using Waste Glass for Lithium Ion Batteries
- 주제(키워드) 리튬이차전지 , 실리콘 음극재 , 마그네슘 열 환원법 , 자동차 앞유리 , PVB
- 발행기관 고려대학교 대학원
- 지도교수 김동완
- 발행년도 2016
- 학위수여년월 2016. 8
- 학위구분 석사
- 학과 대학원 건축사회환경공학과
- 원문페이지 65 p
- 실제URI http://www.dcollection.net/handler/korea/000000068844
- 본문언어 한국어
- 제출원본 000045881418
초록/요약
오늘날의 리튬이차전지는 휴대전화, 태블릿, 카메라 등 소형 휴대용 IT 기기 뿐만 아니라 EV, HEV, PHEV 등 중·대형 에너지의 저장장치까지 사용반경이 확대되어 사용성이 증가함에 따라 전 세계적으로 이목이 집중되고 있다. 초기 리튬이온 이차전지의 음극재로 사용되던 리튬 금속은 가볍고 에너지 밀도가 높으며 작동 전위가 낮아 이상적인 음극재로 사용되었으나, 충·방전이 진행됨에 따라 전극 표면에서 석출되는 리튬 금속의 수지상 성장으로 전극의 안정성 문제로 인하여, 안정성이 높은 흑연으로 음극재를 대체하였다. 하지만 흑연이 가지는 이론적 용량(372 mAh g-1)은 앞으로 사회가 요구하는 고용량, 고밀도의 에너지 저장장치의 음극재로는 적용하기 어렵기 때문에 다른 대체 가능한 음극재에 관하여 많은 연구가 진행되고 있다. 리튬과 반응하여 합금을 생성하는 Ⅳ족 원소(Si, Ge, Sn 등)들은 흑연에 비해 높은 이론용량을 가지고 있다. 특히 실리콘은 원자 당 최대 4.4개의 리튬과 반응하여 합금을 형성하게 되는데, 이때의 이론적 용량은 4200 mAh g-1으로 흑연의 이론적 용량의 10배를 넘는 음극재 재료이다. 하지만 실리콘은 리튬과 반응 중 급격한 부피 변화를 수반하게 되면서 받는 스트레스로 인해 전극이 분쇄되어 본래의 용량과 특성을 잃는 큰 단점을 가지고 있다. 실리콘의 단점을 극복하기 위하여 다양한 연구들이 끊임없이 진행되고 있으며, 전극 소재의 나노구조화는 활물질의 부피팽창을 효과적으로 완화시킬 수 있어 실리콘 소재의 다양한 연구가 활발히 진행 중이다. 대표적인 나노구조화 방법으로는 VLS, hydrothermal, CVD 등 0, 1, 2차원 등의 나노 사이즈의 실리콘을 직접 합성하는 방법이 있다. 하지만 이러한 공정은 합성과정 중 사용하는 실란(SiH4)과 같은 유독성 물질을 사용하거나, 골드, 플래티넘 등 고가의 촉매가 필요하다는 점이 문제가 되고 있다. 따라서 실리콘의 직접적인 나노구조화 합성방법보다 실리카가 풍부한 전구체를 이용하여 1차적으로 나노사이즈의 물질을 합성 또는 가공한 후, 환원법을 통해서 기존의 실리카 형태를 유지한 실리콘으로 환원하여 극복하는 방법 등이 주목을 받고 있다. 따라서 본 연구에서는 실리카가 주성분인 폐유리를 전구체로 사용하여 마그네슘 열 환원법을 통해 순도 높은 실리콘을 환원을 진행하였으며, 얻어진 분말들은 XRD SEM ICP TEM BET 등의 다양한 분석을 통해 비교하였으며, 실리콘이 가지는 음극재로서의 문제점을 보안하기 위하여 PVB 폴리머를 활용하여 카본 복합체를 합성하고, 이를 통해 리튬이온전지 음극 활물질로서 전기화학적 특성을 분석하였다.
more목차
차례 (List of text)
국문요약.............................................................................................................. 3
List of Figures................................................................................................... 5
List of Tables..................................................................................................... 7
1. 서론................................................................................................................ 8
2. 연구 배경...................................................................................................... 12
2.1 리튬 이차전지 개요..................................................................................... 12
2.2 실리콘 음극소재......................................................................................... 16
2.3 자동차 앞유리의 소재화............................................................................... 22
2.4 마그네슘 열 환원법..................................................................................... 26
3. 실험방법........................................................................................................ 28
3.1 실험 목적.................................................................................................. 28
3.2 실험 방법.................................................................................................. 29
3.2.1 폐유리 분말의 표면 처리........................................................................ 29
3.2.2 환원 실리콘 합성법............................................................................... 29
3.2.3 실리콘-카본 복합체 합성....................................................................... 30
3.3 물리적 특성평가......................................................................................... 31
3.4 전극 제조 및 반쪽전지 조립......................................................................... 31
3.4.1 전극 제조............................................................................................. 31
3.4.2 반쪽전지 조립...................................................................................... 32
3.5 전기화학적 특성 평가.................................................................................. 32
4. 실험결과 및 고찰............................................................................................ 33
4.1. 폐유리의 물성 평가.................................................................................... 33
4.2. 마그네슘 열 환원법을 통해 환원한 실리콘의 구조적 물성 평가........................ 34
4.2.1. XRD 분석에 따른 물리적 성질 평가........................................................ 34
4.2.2. FE-SEM을 이용한 광학적 형상 분석...................................................... 35
4.2.3. BET 법을 이용한 표면적 분석................................................................ 36
4.2.4. TEM 분석을 이용한 형상 분석............................................................... 36
4.3. 마그네슘 열 환원법을 통해 환원한 실리콘의 전기화학적 특성 평가................... 47
4.3.1. Cycle performance............................................................................ 47
4.3.2. Cyclic Voltammetry........................................................................... 47
4.4. PVB 폴리머를 이용한 환원 실리콘의 탄소 복합체 합성................................. 49
4.4.1. TGA 분석법을 이용한 물성 분석........................................................... 49
4.4.2 Cycle performance............................................................................. 50
4.4.3. Rate Capability.................................................................................. 50
5. 결론.............................................................................................................. 56
참고문헌............................................................................................................ 58
