이차전지 음극 활물질을 음극소재로 사용한 다공성 실리콘 제조방법 (이차전지 원리, 이차전지 제조)

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이차전지란 방전 후 충전을 통해 재사용이 가능한 전지로 전기자동차의 핵심부품으로 사용됩니다. 전기자동차의 상용화에 따라 이차전지의 에너지 밀도와 안정성을 향상하려는 연구가 활발히 진행 중입니다. 현재 사용하고 있는 리튬 이차전지는 흑연을 음극재로 사용해 저렴한 가격과 낮은 작동전압, 우수한 수명 안정성을 갖고 있습니다. 하지만, 충전속도가 낮고 용량이 적기 때문에 코팅의 두께를 증가시켜야 하며, 덴드라이트의 형성에 의한 폭발 위험성이 있습니다. 이러한 문제를 개선하기 위해 흑연의 대체 물질로 실리콘을 사용하는 방법이 개발되고 있지만, 정제 및 제조과정이 복잡해 생산 수율이 낮다는 문제가 있습니다.

동아대학교 연구팀은 제조공정을 단순화해 우수한 성능과 수율을 지닌 다공성 실리콘 제조법을 개발했습니다.

제올라이트와 염화나트륨을 혼합한 후 증발, 열처리를 통해 혼합물을 얻습니다. 혼합물과 마그네슘을 혼합하고 진공, 건조, 열처리해 환원 반응을 수행합니다. 열처리 단계를 거친 생성물을 세척해 부산물을 제거하고, 불산 용액을 이용해 잔존 실리콘을 제거하여 다공성 실리콘을 생성합니다. 초음파 진동을 이용해 다공성 실리콘을 THF에 분산시킨 뒤 피치 카본을 용해한 THF 용액을 혼합합니다. 혼합물은 증발, 건조, 열처리 과정을 거쳐 이차전지 음극 활물질로 제조됩니다.

연구팀은 이차전지 음극 활물질을 이용해 리튬 이차전지를 제조하고 성능을 분석하였습니다. 제조된 다공성 실리콘은 일차 입자의 크기가 작고 다공성 구조를 잘 유지하는 것을 확인했습니다. 또한, 열 환원 반응 대비 산화마그네슘으로의 전환율이 우수하고 부반응이 억제되는 것을 확인했습니다. 제조한 리튬 이차전지는 300 사이클까지 용량이 안정적으로 유지되었으며, 99.9% 이상의 충·방전 효율을 지닌 것을 확인했습니다. 또한, 충·방전에 따른 부피팽창을 효과적으로 흡수해 고용량 및 장수명 특성이 구현된 이차전지의 생산을 가능하게 할 것으로 기대됩니다.

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