To develop next-generation high-capacity lithium ion batteries, it is necessary to overcome the limited capacity of conventional materials and to develop new high-capacity lithium storage materials. As alternatives, alloy-type anode materials such as silicon (Si) and tin (Sn) and sulfur (S)-based cathode materials have received a great number of interests in academic researches and industrial applications. When these are implemented, several times higher theoretical capacity can be expected than that obtained through combination of existing graphite-based anodes and lithium metal oxide cathodes. In spite of the high lithium storage capacity, however, continuous active mass loss occurs due to drastic volume and phase changes during cycling, which leads to severe capacity fading and poor cycle life. In order to overcome this, it is necessary to understand the deterioration mechanisms of the materials through real-time transmission electron microscopy, and to suggest a reasonable design strategy. In this thesis, the lithiation behaviors of Si, Sn and S nanoparticles were revealed by first introducing in situ graphene liquid cell electron microscopy into the research field of lithium ion battery materials. And based on insights obtained from these studies, new material design strategies were also proposed. By further improving, this new in situ technique is expected to contribute to unveiling the lithiation behavior of various energy storage materials which have been veiled so far.
차세대 고용량 리튬 이온 전지 개발을 위해서는 기존의 재료들의 제한된 용량 문제 극복하고 새로운 고용량 리튬 저장 재료의 개발이 필수적 이다. 그 대안으로서, 실리콘, 주석과 같은 합금화 계열 음극재료와 황 기반 양극재료가 주목 받고 있으며, 이들을 적용할 경우 기존 흑연 기반 음극과 리튬금속산화물 기반 양극 조합을 통해 얻을 수 있는 에너지 용량에 비해 3-5 배 이상의 이론 에너지 용량을 기대할 수 있다. 하지만 높은 리튬 저장 용량에도 불구하고, 충, 방전 시의 급격한 부피 및 상 변화로 인해 활물질 손실이 지속적으로 발생함에 따라 큰 용량감퇴와 함께 낮은 저장 유지 및 사이클 수명 특성을 나타내는 문제점을 가지고 있다. 이를 극복하기 위해서는 실시간 투과전자현미경을 통한 재료의 열화거동을 이해하고, 이를 바탕으로 합리적인 디자인 방안을 제안할 필요성이 있다. 본 학위 논문에서는 실재상황 그래핀 액상셀 전자현미경을 리튬 이온 전지 연구분야에 최초로 도입하여 고용량 리튬 저장 물질인 실리콘, 주석, 황 나노입자의 리튬화 과정을 실시간으로 관찰하였으며, 재료의 리튬화 거동 이해와 이를 바탕으로 한 새로운 재료 디자인 방안을 제안하였다. 나아가 본 연구 방법은 보다 실재적 관점에서 그 동안 관찰이 어려웠던 다양한 에너지 저장 재료의 리튬화 거동 규명에 기여 할 수 있을 것으로 기대된다.
