에피소드

초소형 센서용 새로운 리튬 이온 배터리 재료

<KISTI의 과학향기> 제3402호   2019년 08월 07일
러시아 SPbPU(Peter the Great St.Petersburg Polytechnic University), 상트페테르부르크 국립대학(Saint Petersburg State University), 체코 공화국 화학기술 연구소(Institute of Chemical Technology)의 연구진은 고체상태의 박막 리튬 이온 배터리를 위한 새로운 물질을 개발했는데, 이것은 마이크로소자 및 나노소자에 전력을 공급하는데 매우 유용하게 적용될 수 있을 것이다.
 
이번 연구진은 니켈 산화물 기반의 전극 물질을 얻을 수 있는 새로운 방법을 제안했다. 그리고 박막 물질의 충전/방전 과정 동안에 발생할 수 있는 프로세스를 조사했다. 전극 물질은 원자층 증착(Atomic Layer Deposition) 공정을 사용해서 만들어졌다.
 
리튬 이온 배터리는 휴대 전화, 노트북, 무선 센서, 맥박 조정기 등과 같은 다양한 마이크로 및 나노 장치에 사용되고 있다. 이러한 장치는 일반적으로 박막 전류 공급원을 사용해서 작동된다. 장치가 작을수록 더 소형 전원이 필요하다. 이러한 전원에 사용되는 재료는 전기화학적 특성이 향상되어서 추가적인 충전 없이 더 오랫동안 작동되어야 한다.
 
이번 연구진은 새로운 공정을 접목시켜서 이것을 가능하게 했다. 원자층 증착 공정으로 니켈 산화물 기반의 전극 물질을 만들 수 있었고, 이 물질이 리튬 이온 배터리의 전기 화학적 특성을 향상시킬 수 있다는 것을 확인했다.
 
산소 플라즈마는 역-반응물(counter-current)로 사용되었다. 박막은 분광 타원법(Spectroscopic Ellipsometry), 주사 전자 현미경, 원자 힘 현미경, X-선 회절, X-선 반사율 측정, X-선 광전자 분광법에 의해서 조사되었다. NiCp2의 증착 최적 온도는 200-300℃이지만, 원자층 증착 사이클 당 최적의 Ni(MeCp)2 성장은 250–300℃에서 0.011–0.012 nm이었다. 이 박막은 300℃에서 NiCp2와 산소 플라즈마를 사용해서 증착되었다.
 
향후에는 박막 전지의 성능을 더 향상시키기 위해서 재료의 개선이 필요할 것이다. 이것이 가능하게 되면 다양한 분야에 적용 가능한 새로운 고체 박막 리튬 이온 전지를 개발할 수 있을 것이다.
 
이 연구결과는 저널 Coatings에 “Atomic Layer Deposition of NiO to Produce Active Material for Thin-Film Lithium-Ion Batteries” 라는 제목으로 게재되었다(https://doi.org/10.3390/coatings9050301).
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