Since the Li-ion battery is commercialized by Sony in 1991, the demands of the power sources for the small mobile electronics are getting increased very rapidly. Lately, new demands of the power source for the MEMS (Micro-Electro-Mechanical System) devices that can be on-chip are getting bigger. Therefore, the thin film Li-ion battery (TFLIB) is suggested as a solution for the MEMS device power sources. The thin film Li-ion battery, which is fabricated using all solid state materials by the thin film process, is very beneficial type of battery. But there are some limitations because TFLIB should be composed by the solid electrolyte whose ionic conductivity is very low at low temperature than liquid electrolyte as the electrolyte for the thin film Li-ion battery. Therefore, some researchers suggested structured thin film Li-ion battery to get better property. But most methods to fabricate the structured TFLIB are too expensive and complicated.
Therefore, the new method to synthesize the inverse hemispheric structured anode electrode by sol-gel method that is cheap and easy is suggested in this research. $Li_4Ti_5O_{12}$, which is known that there is no volume change during charging and discharging, is selected as the anode active material.
The inverse hemispheric structured anode electrode is fabricated by using polystyrene (PS) bead whose diameter is 400nm. The polystyrene bead monolayer is covered on the Pt substrate by dip coating method. $Li_4Ti_5O_{12}$ solution was filled between the bead monolayer and the Pt substrate by drip coating method. The solvent of the solution and PS bead was evaporated at 120℃ and 400℃ by stepped heat treatment. The optimum solution concentration of $Li_4Ti_5O_{12}$ is 0.05M. The optimum crystallization temperature of $Li_4Ti_5O_{12}$ is 600℃
The evaporation temperature of PS bead was measured by TGA (Thermo-Gravimetric Analysis). The structure of synthesized electrode was measured by SEM (Scanning Electron Microscope), the crystal structure was measured by XRD (X-Ray Diffractometer), and the charge/discharge test for electrochemical properties was performed.
According to the high rate charge/discharge test, the inverse hemispheric structured $Li_4Ti_5O_{12}$ anode that is fabricated by cheap and simple method has better cycle property than the flat thin film battery.
1991년 소니사에 의해 Li-ion 배터리가 상품화된 이후 소형 모바일 전자제품의 전력원의 수요가 급격히 증가하고 있다. 최근 on-chip형태로 만들 수 있는 MEMS (Micro-Electro-Mechanical System) 소자의 전력 공급원에 대한 새로운 수요가 커지고 있다. 따라서 박막전지(TFLIB)가 MEMS소자의 전력공급원을 위한 해결책으로 제시되었다. 전고상 물질로 만들어지는 박막 Li-ion 전지는 매우 유용한 형태의 배터리이다. 그러나 TFLIB가 액체전해질보다 저온에서 이온 전도도가 매우 낮은 고체전해질을 전해질로 구성되어야 하므로 약간의 제약이 있다. 그리하여 일부 연구자들에 의해 구조를 갖는 박막전지를 통해 더 좋은 물성을 얻으려는 제안을 하였다. 그러나 구조를 갖는 TFLIB를 제조하는 대부분의 방법들은 매우 비싸고 복잡하다.
그리하여 본 연구에서는 싸고 간단한 졸겔법을 통해 역반구 구조를 갖는 음극을 제작하는 방법을 제안한다. 중방전 동안 부피변화가 거의 없다고 알려진 $Li_4Ti_5O_{12}$ 이 음극 활물질로 선택되었다.
지름 400nm 폴리스티렌(PS) 비드를 이용해 역반구 구조의 음극을 제작하였다. 딥코팅 방법으로 Pt기판 위에 폴리스티렌 비드 단층을 올렸다. Drip 코팅법으로 $Li_4Ti_5O_{12}$ 용액이 Pt기판과 비드 단층 사이의 공간에 채워졌다. 용액의 용매와 PS비드는 각각 120℃와 400℃로의 단계적 열처리를 통해 기화되었다. $Li_4Ti_5O_{12}$ 용액의 최적 농도는 0.05M이다. $Li_4Ti_5O_{12}$ 의 최적 결정화 온도는 600℃이다.
PS비드의 기화 온도는 TG분석(Thermo-Gravimetric Analysis)을 통해 측정되었다. 제작된 전극의 구조는 SEM(Scanning Electron Microscope)을 이용해 관찰하였다. 결정구조는 XRD(X-Ray Diffractometer)를 통해 확인하였다. 그리고 전기화학적 물성을 측정하기 위한 충방전 테스트를 시행하였다. 고율 충방전 테스트의 결과에 따라 값싸고 간단한 방법으로 제작된 역반구 구조를 갖는 $Li_4Ti_5O_{12}$ 음극이 평평한 박막 전지보다 좋은 사이클 특성을 가짐을 확인하였다.
