Electrochemical Characteristics of the Silicon Thin Films on Copper Foil Prepared by PECVD for the Negative Electrodes for Lithium ion Rechargeable Battery

Silicon thin film were synthesized from silane and argon gas mixture directly on copper foil by rf PECVD and then lithium ion batteries were prepared from them employed as the negative electrodes without any further treatment. In the present study, two different kinds of silicon thin films, amorphous silicon and copper silicide were prepared by changing deposition temperature. Amorphous silicon film was prepared below $200^{\circ}C$, but copper silicide film with granular shape was formed by the reaction between silicon radical and diffused copper ions under elevating temperature above $400^{\circ}C$. The amorphous silicon film gives higher capacity than copper silicide, but the capacity decreases sharply with charge-discharge cycling. This is possibly due to severe volume changes. The cyclability is improved, however, by employing the copper silicide as a negative electrode. The copper silicide plays an important role as an active material of the electrode, which mitigates volume change cause by the existence of silicon and copper chemical bonding and provides low electrical resistance as well.

PECVD법으로 구리 막 위에 증착된 실리콘 박막의 이차전지 음전극으로서의 전기화학적 특성

플라즈마 화학 기상 증착법으로 구리 막$(foil,\;35{\mu}m)$표면 위에 $SiH_4$와 Ar혼합가스를 공급하여 실리콘 박막을 증착 한 후 리튬 이온전지의 음극으로 활용하였다. 증착 온도에 따라 비정질 실리콘 박막과 copper silicide박막 형태의 다른 두 종류의 실리콘 박막 구조가 형성되는 것이 관찰되었다. $200^{\circ}C$ 이하의 온도에서는 비정질 실리콘 박막이 증착되었고, $400^{\circ}C$ 이상의 온도에서는 실리콘 라디칼과 확산된 구리 이온의 반응에 의한 그래뉼러 형태의 copper silicide박막이 형성되었다. 비정질 실리콘 박막은 copper silicide박막 보다 높은 용량을 나타냈으나 충·방전 반응에 의한 급격한 용량 손실을 나타냈다. 이것은 비정질 실리콘 박막의 부피 팽창에 의한 것으로 추정된다. 그러나 copper silicide 박막을 음극으로 사용했을 때는 copper silicide를 형성한 실리콘과 구리의 화학결합이 막 구조의 부피변화를 감소 시켜줄 뿐 아니라 낮은 전기 저항을 갖기 때문에 싸이클 특성이 향상되었다.