실리콘-다중벽탄소나노튜브 나노복합체의 열플라즈마 합성 및 리튬이온 배터리 음극재로써 전기화학적 특성

Abstract

기존 리튬이온배터리의 음극재인 graphite를 대체할 수 있는 물질 중 하나인 silicon은 높은 이론용량을 가지고 있지만 리튬이온과의 반응시 발생하는 부피 팽창으로 인해 매우 짧은 수명을 가지고 있다. 이에 이 실험에선 silicon의 부피팽창을 줄이기 위해 약 18 kW의 삼중 열 플라즈마 시스템을 이용하여 Si-MWCNT 나노 복합체를 합성하였으며 또 coin cell로 제작하여 전기화학적 특성을 분석하였다. 실험의 주요 변수는 원료 물질인 silicon과 MWCNT의 중량 비율 및 원료 물질들의 투입 위치로 silicon과 MWCNT를 혼합하여 투입하거나 분리하여 열 플라즈마 불꽃 내에 투입하였으며 원료 물질들의 중량 비율을 각각 2 : 1, 1: 2로 나누어 투입하여 실험 조건을 다양화하였다. 이 실험을 통해 MWCNT 투입 지점의 온도가 실리콘의 효율적인 기화와 MWCNT의 승화에 큰 영향을 미치기 때문에 Si-MWCNT 형성에 MWCNT의 투입 위치가 주요한 영향을 미친것을 확인하였다. 또한 분리하여 투입한 실험에서 silicon 나노 입자 크기가 낮은 것을 보였으며 이 또한 silicon의 효율적인 기화와 관련있는 것으로 보았다. 합성된 나노 복합체를 음극재로 하여 제작한 coin cell의 charge discharge 실험에서 사이클이 진행함에 따라 원료 물질을 분리하여 투입한 실험에서 Silicon만을 음극재로 사용한 coin cell보다 낮은 용량 감소폭을 보였다.