리튬이차전지용 Si-M (M : Cr, Ni) 합금 음극의 미세구조와 전기화학적 특성
Microstructures and Electrochemical Properties of Si-M (M : Cr, Ni) as Alloy Anode for Li Secondary Batteries
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초록
본 실험에서는 리튬이차전지의 고용량 음극활물질로 주목받는 Si 합금의 부피팽창을 억제하기 위한 방법의 하나인 비활성-matrix상을 이용하고, 상태도를 이용하여 동일한 용량을 발현하는 Si계이원계 합금 (Cr-Si, Ni-Si) 조성에서의 미세구조 및 전기화학적 특성을 비교/분석하였다. 급속응고공정(Rapid Solidification Process, Melt-spinning법)를 이용하여 동일조건하에서 리본 모양의합금을 제작하였고, 제작된 리본합금은 동일조건에서 분쇄하여 X-선회절 (X-Ray Diffraction) 분석을 실시하였다. XRD 분석 결과, 상태도에서 예측된 것과 같이, 두 합금 모두 Si 상 및 비활성-matrix상( CrSi2 및 NiSi2 )이 관찰되었으며, 이외의 제3의 상은 관찰되지 않았다. 또한, 주사전자현미경(SEM, Scanning Electron Microscope) 및 투과전자현미경-에너지분산분광법(TEMEDS, Transmission Electron Microscopy - Energy Dispersive X-ray Spectroscopy)으로 미세구조를 살펴본 결과 Cr-Si 합금의 미세구조가 Ni-Si 합금보다 fine한 것을 알 수 있었고 이것은상태도로부터 예측 가능하였다. 두 합금 조성에서 미세구조에 따른 전기화학적 특성을 비교 평가하기 위해 코인형 하프셀과 풀셀로 충방전 실험을 진행하였고 이와 별도로, 전극의 두께변화 측정이 가능하게 설계된 시험셀을 이용하여 반응 중 Si의 수축팽창을 측정하였다. coarse한 미세구조를 가진 Ni-Si 합금보다 fine한 미세구조를 갖는 Cr-Si 합금의 전극팽창이 비교적 잘 억제됨을 확인하였고, 충방전에 따른 수명 내구성도 우수함을 확인하였다. 이런 결과들로부터 합금의조성에 따른 미세구조, 체적변화 및 전기화학적 열화와의 연관성을 유추할 수 있었다.
Abstract
To compare the microstructure and electrochemical properties between two binary alloys (Cr-Si, Ni-Si), two composition of binary alloys with the same capacity were selected using phase-diagram and prepared by matrix-stabilization method to suppress the volume expansion of Si by inactive-matrix. Master alloys were made by Arc-melting followed by fine structured ribbon sample preparation by Rapid Solidification Process (RSP, Melt-spinning method) under the same conditions. Also powder samples were produced by wet grinding for X-Ray Diffraction (XRD) and electrochemical measurements. As predicted from the phase diagram, only active-Si and inactive-matrix (CrSi2, NiSi2 ) were detected. The results of Scanning Electron Microscope (SEM) and Transmission Electron Microscopy - Energy Dispersive X-ray Spectroscopy (TEM-EDS) show that Cr-Si alloy has finer microstructure than Ni-Si alloy, which was also predictable through phase diagram. The electrochemical properties related to microstructure were evaluated by coin type full- and half-cells. Separately, self-designed test-cells were used to measure the volume expansion of Si during reaction. Volume expansion of Cr-Si alloy electrode with finer microstructure was suppressed significantly and improved in cycle capability, in comparison Ni-Si alloy with coarse microstructure. From these, we could infer the correlation of microstructure, volume expansion and electrochemical degradation and these properties might be predicted by phase diagram.
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