게르마늄/BCN 코어/쉘 나노와이어의 합성 및 특성에 관한 연구
Study on Growth and Characterization of Ge/BCN Core/Shell Nanowires
- 주제(키워드) Lithium Ion Battery , Ge , Nanowire , Boron Carbon Nitride , Core/shell structure
- 주제(DDC) 621.042
- 발행기관 아주대학교
- 지도교수 이재현
- 발행년도 2022
- 학위수여년월 2022. 8
- 학위명 석사
- 학과 및 전공 일반대학원 에너지시스템학과
- 실제URI http://www.dcollection.net/handler/ajou/000000032197
- 본문언어 한국어
- 저작권 아주대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
초록/요약
최근 고성능 휴대용 전자 장치, 전기 자동차, 에너지 통합 시스템에 대한 수요 증가 및 성능의 향상에 따라 더 높은 전력, 용량, 수명, 충전속도를 갖는 리튬 이온 배터리 개발의 필요성이 확대되고 있다. 리튬 이온 배터리에서 용량과 충전 속도에 관여하는 음극재의 측면에서 현재 주로 사용되는 흑연은 낮은 용량을 갖고 있어, 이를 대체하기 위한 새로운 음극재의 개발을 필요로 한다. 실리콘, 게르마늄과 같은 IV족 반도체 소재가 이를 대체하기 위한 고용량 음극재로 주목받고 있으나, 부피 팽창에 의한 짧은 수명 문제가 있다. 본 연구에서는 수명과 충전속도, 충전용량을 향상시킨 음극재 개발을 목적으로 게르마늄 나노와이어 (GeNW)의 표면에 BCN 쉘을 성장시킨 Ge/BCN 코어/쉘 나노와이어 구조를 화학기상증착 공정으로 합성하였다. 또한 나노와이어의 성장, BCN 쉘 형성 공정이 합성과 이후의 열처리 만으로 이루어져 타 합성법 대비 합성이 용이하다는 장점을 가진다. 합성 결과, GeNW의 낮은 녹는점에도 불구하고 고온 열처리 공정에서 에피택시 성장 구조를 유지하고 있는 것을 확인해 BCN 쉘의 높은 열적 안정성을 확인하였다. 또한 합성 공정에 의해 Ge 코어가 고농도로 도핑되어 기존 Ge 나노와이어 대비 104 수준의 전기 전도도 향상을 확인하였다. 또한 BCN 쉘 형성 시 Ge 코어, BCN 쉘 계면 간에 산화물의 생성을 억제해 전기적 성질을 유지하는 것을 확인하였다. 이를 통해 Ge/BCN 코어/쉘 나노와이어 구조는 Li+ 이온의 충, 방전에 의한 부피팽창을 효과적으로 억제하고, 높은 안정성과 충전속도를 가져 차후 장수명 고성능 음극재 분야에 효과적으로 활용될 것이다.
more초록/요약
Recently, as the demand for high-performance portable electronic devices, electric vehicles, and energy integrated systems increases and the performance improves, the need to develop a lithium-ion battery with higher power, capacity, life, and charging speed increases. In terms of an anode material involved in capacity and charging speed in a lithium-ion battery, graphite currently mainly used has a low capacity, and thus it is required to develop a new anode material to replace it. Group IV semiconductor materials such as silicon and germanium are attracting attention as high-capacity anode materials to replace them, but there is a short life problem due to volume expansion. This research synthesizes a Ge/BCN core/shell nanowire structure in which a BCN shell is grown on a surface of germanium (Ge) nanowire through a chemical vapor deposition process to develop an anode material that improves life, charging speed, and charging capacity. In addition, the growth of Ge nanowires and the BCN shell formation process are composed of only annealing after synthesis, so it is easier to synthesize than other synthesis methods. As a result of synthesis, it was confirmed that the epitaxial growth structure was maintained in the high-temperature annealing process despite the low melting point of the Ge nanowire, and thus the high thermal stability of the BCN shell was confirmed. In addition, the Ge core was doped at a high concentration by the synthesis process, and it was confirmed that the electrical conductivity of 104 levels was improved compared to the existing Ge nanowires. In addition, it was confirmed that the electrical properties were maintained by suppressing the generation of oxides between the Ge core and the BCN shell interface when forming the BCN shell. Accordingly, the Ge/BCN core/shell nanowire structure effectively suppresses volume expansion caused by charging and discharging of Li+ ions, has high stability and a charging speed, and thus will be effectively used in fields of high-performance anode materials with a long life.
more목차
1. 서론 (INTRODUCTION) 1
2. 이론적 배경 (THEORETICAL BACKGROUND) 3
2.1 Vapor-Liquid-Solid mechanism 3
2.2 Boron-Carbon-Nitride 5
3. 실험 방법 (EXPERIMENTAL) 7
3.1 Ge + (B, C, N) 혼합구조 (Mixed phase)의 합성 7
3.2 Ge/BCN 코어/쉘 나노와이어의 합성 7
3.3 소재/소자 특성평가 9
3.3.1 현미경 분석 9
3.3.2 분광 분석 9
3.2.3 전기적 특성 분석 10
4. 결과 및 고찰 (RESULT AND DISCUSSION) 12
4.1 Mixed phase의 물성 분석 12
4.2 Ge/BCN 코어/쉘 구조의 물성 분석 18
5. 결론 (CONCLUSION) 33
REFERENCES 34
