Abstract
Structural and electrochemical properties of spinel oxide $LiMn_2O_4$ thin films prepared by using a sol-gel method on Pt/Ti/$SiO_2$/Si substrates were investigated. When Li/Mn molar ratio of the film was smaller than 0.5, $Mn_2O_3$hase was found to coexist with $LiMn_2O_4$. Half-cell batteries fabricated using the $LiMn_2O_4$ films as the cathode were put into chargedischarge (C-D) cycles and the change in structural properties of the cathode after the cycles was examined by X-ray diffraction and Raman spectroscopy. As the C-D cycle number increases, the discharge capacity of pure $LiMn_2O_4$ battery gradually decreases, being reduced to 72% of the initial capacity at 300 cycles. Such capacity fading is attributable to the decrease in the number of $Li^+$ ions that return to the tetrahedral sites of the spinel structure during the discharge step and the resultant increase in $Mn^{4+}$ density in the film. Also, $Mn_2O_3$ phase gradually appeared in the film as the cycle number increases.
졸-겔(sol-gel) 방법을 이용하여 스피넬(spinel) 구조의 산화물 $LiMn_2O_4$ 박막을 Pt/Ti/$SiO_2$/Si 기판 위에 제작하여 그 구조적 성질 및 이차 전지 전기화학적 특성을 조사하였다. 박막에서의 Li/Mn 몰비(molar ratio)가 0.5 미만일 경우 박막에 $LiMn_2O_4$ 상뿐만 아니라 $Mn_2O_3$ 상이 존재함이 관측되었다. $LiMn_2O_4$ 박막을 이용한 반전극(half cell) 전지를 제작하여 충전-방전 순환과정을 반복수행 하였고, 과정 시작 전후에 X-ray diffraction 및 Raman spectroscopy 측정을 통하여 과정 중 발생하는 박막의 구조적 성질 변화를 조사하였다. 순수한 $LiMn_2O_4$ 박막 전지의 경우 충전-방전 횟수가 증가함에 따라 방전 용량은 서서히 감소하여 300회에 이르러서는 초기 용량의 72%로 줄어들었다. 이와 같은 결과는 충전-방전 과정 중 스피넬 구조의 사면체 자리로부터 탈리되었다가 다시 삽입되는 $Li^+$ 이온 수의 감소 및 이에 따르는 $Mn^{4+}$ 이온 수 증가와 관련이 있는 것으로 해석된다. 또한, 순환 횟수가 증가함에 따라 박막 내에 $Mn_2O_3$ 상의 밀도가 점차 증가함이 관측되었다.
