리튬 이차전지 음극용 Cu3Si의 고온에서의 전기화학적 특성
Electrochemical Characteristics of Cu3Si as Negative Electrode for Lithium Secondary Batteries at Elevated Temperatures
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초록
DC magnetron 스퍼터링을 이용해 구리(Cu) 호일 위에 실리콘(Si)을 증착한 후 800oC에서 열처리하여 Cu3Si를 얻고, 이의 리튬 이차전지용 음극으로서 특성을 조사하였다. Cu3Si는 Si 성분을 포함하고 있으나 상온에서 리튬과 반응하지 않았다. 선형 주사 열-전류(linear sweep thermammetry, LSTA)실험과 고온 충방전 실험을 통하여, 상온에서 비활성인 Cu3Si가 85˚C 이상에서는 활성화되어 Si 성분이 전환(conversion)반응에 의해 리튬과 반응함을 확인하였다. Cu3Si에서 분리된 Si는 120˚C에서Li-Si 합금 중에서 리튬의 함량이 가장 많은 Li21Si5 상까지 리튬과 반응함을 유사 평형 조건(quasiequilibrium)의 실험으로부터 알 수 있었다. 그러나 정전류 조건(100 mA gSi −1)에서는 리튬 합금반응이 Li21Si5까지 진행되지 못하였다. 또한 120˚C에서 전환반응에 의해 생성된 Li-Si 합금과 금속상태의 Cu는 충전과정에서 다시 Cu3Si로 돌아감, 즉 Cu3Si와 리튬은 가역적으로 반응함을 확인하였다. 120˚C에서 Cu3Si 전극은 비정질 실리콘 전극보다 더 우수한 사이클 특성을 보여 주었다. 이는 비활성인 구리가 실리콘의 부피변화를 완충하여 집전체에서 탈리되는 현상을 완화하고 결과적으로 전극이 퇴화하는 것을 억제하기 때문인 것으로 설명할 수 있다. 실제로 비정질 실리콘 전극은충방전 후에 실리콘 층의 균열과 탈리가 관찰되었으나, Cu3Si 전극에서는 이러한 현상이 관찰되지 않았다.
Abstract
A Cu3Si film electrode is obtained by Si deposition on a Cu foil using DC magnetron sputtering, which is followed by annealing at 800˚C for 10 h. The Si component in Cu3Si is inactive for lithiation at ambient temperature. The linear sweep thermammetry (LSTA) and galvanostatic charge/discharge cycling, however, consistently illustrate that Cu3Si becomes active for the conversion-type lithiation reaction at elevated temperatures (> 85˚C). The Cu3Si electrode that is short-circuited with Li metal for one week is converted to a mixture of Li21Si5 and metallic Cu, implying that the Li-Si alloy phase generated at 0.0 V (vs. Li/Li+) at the quasi-equilibrium condition is the most Li-rich Li21Si5. However, the lithiation is not extended to this phase in the constant-current charging (transient or dynamic condition). Upon de-lithiation, the metallic Cu and Si react to be restored back to Cu3Si. The Cu3Si electrode shows a better cycle performance than an amorphous Si electrode at 120˚C, which can be ascribed to the favorable roles provided by the Cu component in Cu3Si. The inactive element (Cu) plays as a buffer against the volume change of Si component, which can minimize the electrode failure by suppressing the detachment of Si from the Cu substrate.
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