패턴전사 프린팅을 활용한 리튬이온 배터리 양극 기초소재 Li2CO3의 나노스케일 패턴화 방법

강영림; 박태완; 박은수; 이정훈; 왕제필; 박운익

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자료유형: 학술저널

저자정보: 강영림 (부경대학교) 박태완 (한국세라믹기술원) 박은수 (이엠엘) 이정훈 (부경대학교) 왕제필 (부경대학교) 박운익 (부경대학교)

저널정보: 한국마이크로전자및패키징학회 마이크로전자 및 패키징학회지 마이크로전자 및 패키징학회지 제27권 제4호

발행연도: 2020.1

수록면: 83 - 89 (7page)

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지난 수십년간 인류에게 핵심적인 에너지 자원이었던 화석연료가 갈수록 고갈되고 있고, 산업발전에 따른 오염이 심해지고 있는 환경을 보호하기 위한 노력의 일환으로, 친환경 이차전지, 수소발생 에너지 장치, 에너지 저장 시스템 등과 관련한 새로운 에너지 기술들이 개발되고 있다. 그 중에서도 리튬이온 배터리 (Lithium ion battery, LIB)는 높은에너지 밀도와 긴 수명으로 인해, 대용량 배터리로 응용하기에 적합하고 산업적 응용이 가능한 차세대 에너지 장치로 여겨진다. 하지만, 친환경 전기 자동차, 드론 등 증가하는 배터리 시장을 고려할 때, 수명이 다한 이유로 어느 순간부터 많은 양의 배터리 폐기물이 쏟아져 나올 것으로 예상된다. 이를 대비하기 위해, 폐전지에서 리튬 및 각종 유가금속을 회수하는 공정개발이 요구되는 동시에, 이를 재활용할 수 있는 방안이 사회적으로 요구된다. 본 연구에서는, 폐전지의 재활용전략소재 중 하나인, 리튬이온 배터리의 대표적 양극 소재 Li2CO3의 나노스케일 패턴 제조 방법을 소개하고자 한다. 우선, Li2CO3 분말을 진공 내 가압하여 성형하고, 고온 소결을 통하여 매우 순수한 Li2CO3 박막 증착용 3인치 스퍼터 타겟을 성공적으로 제작하였다. 해당 타겟을 스퍼터 장비에 장착하여, 나노 패턴전사 프린팅 공정을 이용하여 250 nm 선 폭을 갖는, 매우 잘 정렬된 Li2CO3 라인 패턴을 SiO2/Si 기판 위에 성공적으로 형성할 수 있었다. 뿐만 아니라, 패턴전사 프린팅 공정을 기반으로, 금속, 유리, 유연 고분자 기판, 그리고 굴곡진 고글의 표면에까지 Li2CO3 라인 패턴을 성공적으로형성하였다. 해당 결과물은 향후, 배터리 소자에 사용되는 다양한 기능성 소재의 박막화에 응용될 것으로 기대되고, 특히다양한 기판 위에서의 리튬이온 배터리 소자의 성능 향상에 도움이 될 것으로 기대된다.

For the past few decades, as part of efforts to protect the environment where fossil fuels, which have been a key energy resource for mankind, are becoming increasingly depleted and pollution due to industrial development, ecofriendly secondary batteries, hydrogen generating energy devices, energy storage systems, and many other new energy technologies are being developed. Among them, the lithium-ion battery (LIB) is considered to be a next-generation energy device suitable for application as a large-capacity battery and capable of industrial application due to its high energy density and long lifespan. However, considering the growing battery market such as eco-friendly electric vehicles and drones, it is expected that a large amount of battery waste will spill out from some point due to the end of life. In order to prepare for this situation, development of a process for recovering lithium and various valuable metals from waste batteries is required, and at the same time, a plan to recycle them is socially required. In this study, we introduce a nanoscale pattern transfer printing (NTP) process of Li2CO3, a representative anode material for lithium ion batteries, one of the strategic materials for recycling waste batteries. First, Li2CO3 powder was formed by pressing in a vacuum, and a 3-inch sputter target for very pure Li2CO3 thin film deposition was successfully produced through high-temperature sintering. The target was mounted on a sputtering device, and a well-ordered Li2CO3 line pattern with a width of 250 nm was successfully obtained on the Si substrate using the NTP process. In addition, based on the nTP method, the periodic Li2CO3 line patterns were formed on the surfaces of metal, glass, flexible polymer substrates, and even curved goggles. These results are expected to be applied to the thin films of various functional materials used in battery devices in the future, and is also expected to be particularly helpful in improving the performance of lithium-ion battery devices on various substrates.

#Lithium-ion battery #SPS #Sputtering #Nanotransfer printing #Li2CO3

참고문헌 (32)

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M. Maleki / 2020 / Fabrication of an efficient vanadium redox flow battery electrode using a free-standing carbon-loaded electrospun nanofibrous composite / Sci. Rep 10(1):1

G. Girishkumar / 2010 / Lithium-air battery: promise and challenges / J. Phys. Chem 1(14):2193

Y. Ding / 2020 / Room-Temperature All-Liquid-Metal Batteries Based on Fusible Alloys with Regulated Interfacial Chemistry and Wetting / Adv. Mater 32(30):2002577

W. Van Schalkwijk / 2002 / Advances in LithiumIon Batteries introduction / Springer :1~5

A. Manthiram / 2020 / A reflection on lithium-ion battery cathode chemistry / Nat. Commun 11(1):1

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