1일 1논문 #2 - Microscopic Structural Analysis of Advanced Anode Material for Lithium Battery

결과, 결론 및 데이터 분석

1) 실험 과정

 

위 논문은 충방전에 따라 Si anode의 미세구조가 어떻게 달라지는지 분석한 결과에 대한 논문이다. Si로는 단결정 Si powder를 사용했으며 anode material 비율은 SI:AB(아세틸렌 블랙):PVDF=80:10:10이다. 여기에 NMP 물질을 첨가해 제작했다. 집전체로는 많이 쓰는 Cu foil을 사용했다.

 

2) 실험 결과

 

먼저 충전률(SOC)에 따른 SI anode 이미지를 살펴보자. SOC가 높을수록 anode가 붕괴되는 걸 관찰할 수 있다.

 

게다가 사이사이에 void가 형성되는 걸 관찰할 수 있다. 특히 Cu foil과 Si 사이에 생긴 void는 Si의 탈락을 유도해 수명 저하에 치명적인 역할을 한다.

 

(D)를 보면 충전하면서 Si crystal 내에서도 degradation이 일어난다. 아래 figure에서 면밀히 보자.

 

 

위의 (d)처럼 Si crystal 중 하나(40% 충전)를 확대해 관찰한 이미지이다. 상단은 SEM으로 관찰한 morphology이다. 역시 금이 간 것 같은 모양새를 보고 있는데 아래 EBSD 이미지는 Si의 결정방향을 보여준다. 충전되지 않은 영역의 Si는 (001) 방향을 나타내고 있다. 그런데 검정색 빗금이 오른쪽에서 왼쪽을 향해 침투하는 모양새를 지닌다. 이로부터 Li의 침투는 옆면 방향인 [101]로 들어온다는 걸 유추할 수 있다. 즉, Li 충전은 Si 결정방향에 영향을 받는다.

 

위의 그물 모양 빗금을 STEM을 통해 자세히 관찰해보았다. 아래 이미지는 STEM 관찰 결과를 나타낸다.

 

 

STEM으로 관찰한 결과, 빗금 내에서 Li 농도가 매우 높게 나타나는 것을 관찰했다. 그리고 (a)의 point 1, 2의 전자 회절 무늬를 관찰해보니 1에서는 뚜렷한 결정 회절을, 반면 빗금 영역에서는 amorphous 형태를 가지는 걸 확인했다. 또한 Li는 빗금 영역 이외에서는 관찰할 수 없었다.

 

정리하자면, Li는 충전시 Si 결정방향에 민감하며 빗금 무늬의 비정질 상으로 충전이 일어난다.

 

 

위에서는 충전시 Li의 이동 형태를 봤다면, 이번에는 방전시 Li의 변화를 살펴봤다. 마찬가지로 SOC 40%에서 0%로 방전시켰을 때 빗금 영역에서 Li 농도를 관찰했다. 관찰 결과, Li는 완전히 빠져나가지 않고 남아있었다. 

 

 

 

3) 결론

 

충방전에 따른 Si 음극재의 미세구조 변화를 물리적으로 분석한 결과에 대해 살펴봤다. 처음 충전시 Li의 충전 반응은 Si의 결정방향에 의존한다는 것을 EBSD 분석으로 확인했다.