리튬 이온 배터리용 음극 물질로 사용되는 탄소-코팅된실리콘 입자 파우더 및 그 제조 방법 document_id A220623030790

합성 흑연은 리튬 이온 배터리의 표준 음극 물질로서 폭넓게 이용되고 있다. 또한, 기타 탄소성(carbonaceous) 물질도 효율이 우수하고 비용이 저렴하기 때문에 상기 배터리에 폭넓게 이용되고 있다. 리튬 이온 배터리는 주로 휴대용 전자 장치의 전력으로 사용된다. 니켈-카드뮴 및 니켈-금속 수소화물 저장 전지와 같은 다른 종류의 재충전용 배터리에 비하여, 상대적으로 높은 저장 용량 및 재충전 가능성으로 인하여 리튬 이온 전지가 더욱 인기를 얻고 있다. 리튬 이온 전지는, 유사한 등급의 니켈-카드뮴 및 니켈-금속 수소화물 저장 전지에 비하여 단위 질량당 또는 단위 부피당 저장 용량이 높기 때문에, 필요로 하는 공간은 더욱 작으며, 따라서 특정한 저장 및 방출 특성을 만족시키는 전지의 제조가 가능해진다. 이에 따라, 리튬 이온 전지는, 특히 사용시에 소형인 것이 바람직한 디지털 카메라, 디지털 비디오 레코더, 컴퓨터 등과 같이 점점 수요가 확대되고 있는 장치에 폭넓게 사용되고 있다. 하지만, 재충전 가능한 리튬 이온 저장 전지도 결점이 있다. 이러한 결점들은 구조를 향상시킨 물질을 사용함으로써 최소화될 수도 있다. 합성 흑연 전극을 사용하는 상업적인 리튬 이온 배터리는 제조 비용이 높으며, 리튬 용량이 상대적으로 낮다. 게다가, 현재 리튬 이온 전극에 사용되는 흑연 제품은, 에너지 저장에 있어서 거의 이론적인 한계에 도달해 있다(372mAhr/g). 따라서, 본 기술 분야에서는, 재충전 가능한 리튬 배터리의 제조 비용을 낮추고, 높은 에너지 밀도, 높은 가역 용량 및 초기 충전 효율과 같은 우수한 조작 특성을 제공하는, 향상된 전극 물질이 요구되고 있다. 또한, 이러한 전극 물질의 제조에 있어서의 향상된 제조 방법도 요구되고 있다. 실리콘은 더욱 높은 저장 용량을 제공하는 상대적으로 많은 량의 리튬과 합금을 형성할 수 있기 때문에 리튬 이온 배터리용 전극 물질로 연구되어 왔다. 실제로, 실리콘은 흑연의 10배 이상의 이론적인 리튬 용량을 가진다. 하지만, 순수 실리콘은 리튬과 결합할 경우 단위 전지 부피가 300% 이상 증가하므로 전극 물질로 부적절하다. 사이클이 계속됨에 따라서 이와 같이 부피가 팽창하게 되면, 전극이 기계적으로 파괴되며, 배터리 사이클이 계속되는 동안에 급속하게 용량 손실이 발생한다. 실리콘이 탄소에 비하여 많은 리튬을 수용할 수 있지만, 리튬이 실리콘에 도입될 경우, 실리콘이 붕괴되며, 궁극적으로 저장 전지의 재충전 능력을 저하시키는 전기 접촉을 감소시킨다. 실리콘의 부피가 팽창하는 문제를 해결하기 위한 연구가 계속되었지만 결과는 좋지 못했다. 실리콘/탄소 복합 입자 또는 파우더는, 밀링이나 기타 기계적 방법에 의하여 제조된 탄소 및 실리콘 파우더의 기계적 혼합물에 비하여 우수한 사이클 수명을 가진다. 박막 실리콘-코팅 탄소 입자 또는 탄소-코팅 실리콘 파우더는 차세대 리튬 이온 배터리용 음극 물질로서 흑연 파우더를 대체할 수 있을 것으로 기대된다. 하지만, 실리콘 코팅이나 탄소 코팅에 통상적으로 사용되는 화학적 증착법은, 낮은 증착 속도 및/또는 고가의 증착용 전구체 등과 같은 본질적인 결점이 있다. 증착된 실리콘 필름은 벌크 실리콘 파우더에 비하여 상대적으로 극도로 고가일 수도 있다. 따라서, 실리콘 입자를 코팅하는 다른 방법이 요구되고 있다.