고용량 리튬이온 이차전지의 음극 물질로서 carbon/silicon 복합체를 이용하여 전지를 제조하고, 전기화학적 특성을 연구하였다. 탄소 재료로서 평균 입자직경이 24μm의 판상흑연과 석유계 pitch, 석탄계 pitch를 사용하였고, 평균 입자 직경 1 μm,50~100 nm의 두 가지 형태의 ...
고용량 리튬이온 이차전지의 음극 물질로서 carbon/silicon 복합체를 이용하여 전지를 제조하고, 전기화학적 특성을 연구하였다. 탄소 재료로서 평균 입자직경이 24μm의 판상흑연과 석유계 pitch, 석탄계 pitch를 사용하였고, 평균 입자 직경 1 μm,50~100 nm의 두 가지 형태의 Si 입자를 각각 리튬이온 이차전지 음극 활물질로 사용하였다. 혼합법으로서 흑연과 2 가지 형태의 Si 입자를 PVDF (polyvinylidene fluoride)가용해된 NMP (1-methyl-2-pyrrolinone) 용액에 넣고 균질화기에서 교반하여 slurry를 제조하였다. 제조된 slurry를 casting 법으로 집전체인 Cu foil에 코팅한 후, 100℃ 건조기에서 24 hr 건조 후 부극을 제조하였다. 평균 입자 직경이 1 μm인 Si 입자의 함량이 2.5 wt%이상인 경우 사이클 안정성은 급격히 떨어 졌다. 평균 입자 직경이 50~100 nm인 Si 입자를 사용한 결과 초기 방전 용량 455 mAh/g을 얻었으며 20 사이클 후의 방전 용량은 377 mAh/g을 얻을 수 있었다. Si의 단점인 낮은 도전성을 개선할 목적으로 도전재로서 AB (acetylene black)과 CNF (carbon nano fiber)를 사용하였다. AB의 최적 배합 비율은 7.5 wt% 이었고20 사이클 후의 방전 용량 249 mAh/g을 얻을 수 있었다. 이전의 연구 결과를 근거로 순수 흑연에 CNF를 3 wt% 첨가했을 시 흑연의 방전 용량보다 약 55 mAh/g높게 결과가 나왔다. 도전재로서 CNF를 사용한 혼합물에 평균 입자 직경이 50~100 nm인 Si 입자 2.5 wt%를 첨가 하였을때, 초기 방전 용량 483 mAh/g, 20 사이클 후 방전 용량 397 mAh/g을 얻었다. Si의 입자 크기가 크면 Si의 큰 부피 팽창에 의하여 입자의 파괴가 증가하는 것을 확인 할 수 있었다. 열처리 방법을 이용하여 Si을 pitch가 탄화된 탄소질 내부에 함침 시켰다. 충전시 Si의 부피 팽창에 의해 입자가 파괴되는 것을 완화시켜 주는 buffer 역할을 탄소질이 수행하기 때문이다. Pitch : Si의 함량을 3 : 1 wt%로 일정히 하고, 열처리 온도를 변화시켜 실험을 수행하였다. 800℃와 1000℃에서는 pitch의 결정화가 제대로 이루어지지 않아 사이클이 경과함에 따라 용량의 감소를 나타내었다. 그러나 1100℃에서 열처리를 한 복합물은 800℃와 1000℃에서 열처리를 한 물질보다 초기 방전용량은 낮았으나 우수한 사이클 안정성을 나타내었다. 1100℃에서 열처리를 한 것은 pitch/silicon 복합체의 함량이 40 wt%일 때 초기 방전 용량 346 mAh/g을 나타냈으며 20 사이클 후에도 변함없이 346 mAh/g을 나타내었다. 1000℃에서 열처리를한 것은 pitch/silicon 복합체의 함량이 30 wt%일 때 초기 방전 용량 605 mAh/g,20사이클 후 500 mAh/g을 나타내었으며 800℃는 초기 방전 용량 538 mAh/g, 20사이클 후 391 mAh/g을 나타내었다. 열처리 온도를 1000℃로 고정을 한 후 pitch : Si의 함량을 1 : 1, 2 : 1 wt%로 변화시켜 실험을 하였다. 그러나 이러한 composite들은 사이클 안정성에서 매우 취약 하였다. 이것은 Si을 coating 해줄 수 있는 탄소질의 양이 부족했기 때문인 것으로 사료된다. Si의 함량이 증가 할수록 capacity vs. potential curve에서 Si의 방전시 평탄 전위가 0.4~0.5 V사이에 나타나는 것을 확인을 할 수가 있었다. 그러나 충전시의 평탄 전위는 나타나지 않았다. 이것을 cycle voltammogram을 통하여 확인 한 결과 흑연의 평탄 전위와 겹쳐져 나타나지 않았음을 확인 할 수가 있었다.
고용량 리튬이온 이차전지의 음극 물질로서 carbon/silicon 복합체를 이용하여 전지를 제조하고, 전기화학적 특성을 연구하였다. 탄소 재료로서 평균 입자직경이 24μm의 판상흑연과 석유계 pitch, 석탄계 pitch를 사용하였고, 평균 입자 직경 1 μm,50~100 nm의 두 가지 형태의 Si 입자를 각각 리튬이온 이차전지 음극 활물질로 사용하였다. 혼합법으로서 흑연과 2 가지 형태의 Si 입자를 PVDF (polyvinylidene fluoride)가용해된 NMP (1-methyl-2-pyrrolinone) 용액에 넣고 균질화기에서 교반하여 slurry를 제조하였다. 제조된 slurry를 casting 법으로 집전체인 Cu foil에 코팅한 후, 100℃ 건조기에서 24 hr 건조 후 부극을 제조하였다. 평균 입자 직경이 1 μm인 Si 입자의 함량이 2.5 wt%이상인 경우 사이클 안정성은 급격히 떨어 졌다. 평균 입자 직경이 50~100 nm인 Si 입자를 사용한 결과 초기 방전 용량 455 mAh/g을 얻었으며 20 사이클 후의 방전 용량은 377 mAh/g을 얻을 수 있었다. Si의 단점인 낮은 도전성을 개선할 목적으로 도전재로서 AB (acetylene black)과 CNF (carbon nano fiber)를 사용하였다. AB의 최적 배합 비율은 7.5 wt% 이었고20 사이클 후의 방전 용량 249 mAh/g을 얻을 수 있었다. 이전의 연구 결과를 근거로 순수 흑연에 CNF를 3 wt% 첨가했을 시 흑연의 방전 용량보다 약 55 mAh/g높게 결과가 나왔다. 도전재로서 CNF를 사용한 혼합물에 평균 입자 직경이 50~100 nm인 Si 입자 2.5 wt%를 첨가 하였을때, 초기 방전 용량 483 mAh/g, 20 사이클 후 방전 용량 397 mAh/g을 얻었다. Si의 입자 크기가 크면 Si의 큰 부피 팽창에 의하여 입자의 파괴가 증가하는 것을 확인 할 수 있었다. 열처리 방법을 이용하여 Si을 pitch가 탄화된 탄소질 내부에 함침 시켰다. 충전시 Si의 부피 팽창에 의해 입자가 파괴되는 것을 완화시켜 주는 buffer 역할을 탄소질이 수행하기 때문이다. Pitch : Si의 함량을 3 : 1 wt%로 일정히 하고, 열처리 온도를 변화시켜 실험을 수행하였다. 800℃와 1000℃에서는 pitch의 결정화가 제대로 이루어지지 않아 사이클이 경과함에 따라 용량의 감소를 나타내었다. 그러나 1100℃에서 열처리를 한 복합물은 800℃와 1000℃에서 열처리를 한 물질보다 초기 방전용량은 낮았으나 우수한 사이클 안정성을 나타내었다. 1100℃에서 열처리를 한 것은 pitch/silicon 복합체의 함량이 40 wt%일 때 초기 방전 용량 346 mAh/g을 나타냈으며 20 사이클 후에도 변함없이 346 mAh/g을 나타내었다. 1000℃에서 열처리를한 것은 pitch/silicon 복합체의 함량이 30 wt%일 때 초기 방전 용량 605 mAh/g,20사이클 후 500 mAh/g을 나타내었으며 800℃는 초기 방전 용량 538 mAh/g, 20사이클 후 391 mAh/g을 나타내었다. 열처리 온도를 1000℃로 고정을 한 후 pitch : Si의 함량을 1 : 1, 2 : 1 wt%로 변화시켜 실험을 하였다. 그러나 이러한 composite들은 사이클 안정성에서 매우 취약 하였다. 이것은 Si을 coating 해줄 수 있는 탄소질의 양이 부족했기 때문인 것으로 사료된다. Si의 함량이 증가 할수록 capacity vs. potential curve에서 Si의 방전시 평탄 전위가 0.4~0.5 V사이에 나타나는 것을 확인을 할 수가 있었다. 그러나 충전시의 평탄 전위는 나타나지 않았다. 이것을 cycle voltammogram을 통하여 확인 한 결과 흑연의 평탄 전위와 겹쳐져 나타나지 않았음을 확인 할 수가 있었다.
Carbon/silicon composites have been used as anode materials of high capacity Li-ion secondary battery and their electrochemical properties were investigated. As the carbon materials, graphite powders with an average particle diameter of 24 μm were used, and petroleum based pitch and coal based pitch...
Carbon/silicon composites have been used as anode materials of high capacity Li-ion secondary battery and their electrochemical properties were investigated. As the carbon materials, graphite powders with an average particle diameter of 24 μm were used, and petroleum based pitch and coal based pitch were used. The above carbon materials and two types of Si particles with the average particle diameters of 1 μm and 50~100 nm were used as the anode active materials for Li-ion secondary battery. The anode material was prepared using a mixing method. The active materials were put into NMP (1-methyl-2-pyrrolinone) solution containing PVDF (polyvinylidene fluoride) and then mixed in a homogenizer to make a slurry. The prepared slurry was coated on Cu foil using casting method. For the sample containing Si with the average particle diameter of 1 μm, the cycling stability decreased rapidly when the content of Si was above 2.5 wt%. For the sample containing Si with the average particle diameter of 50~100 nm, the initial discharge capacity was 455 mAh/g and the discharge capacity was 377 mAh/g after 20 cycles. AB (acetylene black) and CNF (carbon nano fiber) were used to improve the conductivity of Si material. The optimal content of AB was found to be 7.5 wt% and the discharge capacity was 249 mAh/g after 20 cycles. The discharge capacity was increased by 55 mAh/g by adding 3 wt% CNF into pure graphite powders. With the sample containing 2.5 wt% Si with the average particle diameter of 50~100 nm and containing 3 wt% CNF as conductive material, the discharge capacity was 483 mAh/g and 397 mAh/g after 20 cycles. It could be concluded that when the particle size of Si was large, the particles were easily destroyed due to the volume expansion effect. Si was impregnated into the carbonated pitch by heat treatment method and the obtained mixture was mixed with the balanced amount of graphite powders. In this way, the pitch could play a role of lessening the destruction of Si particles caused by volume expansion. The weight ratio of pitch to Si was fixed to 3 : 1 and the samples were heat treated at different temperatures. The degree of crystallization was low at 800℃ and 1000℃ and the capacity decreased rapidly as the cycling progressed. When heat treatment temperature was 1100℃, the capacity did not show any decrease with the progressed cycles. The initial discharge capacity of the sample containing 40 wt% of pitch/silicon composite heat treated at 1100℃, which was balanced in graphite, was 346 mAh/g and remained the same value even after 20 cycles. The initial discharge capacities of the sample containing 30 wt% of pitch/silicon composite heat treated at 800℃ and 1000℃ were 538 mAh/g and 605 mAh/g respectively, and those after 20 cycles were 391 mAh/g and 500 mAh/g respectively. Further experiments were conducted with the constant heat treatment temperature at 1000℃ but the pitch : Si weight ratio was changed into 1 : 1 and 2 : 1. However, the cycling stability of these composites was poor. It was believed that the amount of pitch acting as the buffer of Si particle was not sufficient.
Carbon/silicon composites have been used as anode materials of high capacity Li-ion secondary battery and their electrochemical properties were investigated. As the carbon materials, graphite powders with an average particle diameter of 24 μm were used, and petroleum based pitch and coal based pitch were used. The above carbon materials and two types of Si particles with the average particle diameters of 1 μm and 50~100 nm were used as the anode active materials for Li-ion secondary battery. The anode material was prepared using a mixing method. The active materials were put into NMP (1-methyl-2-pyrrolinone) solution containing PVDF (polyvinylidene fluoride) and then mixed in a homogenizer to make a slurry. The prepared slurry was coated on Cu foil using casting method. For the sample containing Si with the average particle diameter of 1 μm, the cycling stability decreased rapidly when the content of Si was above 2.5 wt%. For the sample containing Si with the average particle diameter of 50~100 nm, the initial discharge capacity was 455 mAh/g and the discharge capacity was 377 mAh/g after 20 cycles. AB (acetylene black) and CNF (carbon nano fiber) were used to improve the conductivity of Si material. The optimal content of AB was found to be 7.5 wt% and the discharge capacity was 249 mAh/g after 20 cycles. The discharge capacity was increased by 55 mAh/g by adding 3 wt% CNF into pure graphite powders. With the sample containing 2.5 wt% Si with the average particle diameter of 50~100 nm and containing 3 wt% CNF as conductive material, the discharge capacity was 483 mAh/g and 397 mAh/g after 20 cycles. It could be concluded that when the particle size of Si was large, the particles were easily destroyed due to the volume expansion effect. Si was impregnated into the carbonated pitch by heat treatment method and the obtained mixture was mixed with the balanced amount of graphite powders. In this way, the pitch could play a role of lessening the destruction of Si particles caused by volume expansion. The weight ratio of pitch to Si was fixed to 3 : 1 and the samples were heat treated at different temperatures. The degree of crystallization was low at 800℃ and 1000℃ and the capacity decreased rapidly as the cycling progressed. When heat treatment temperature was 1100℃, the capacity did not show any decrease with the progressed cycles. The initial discharge capacity of the sample containing 40 wt% of pitch/silicon composite heat treated at 1100℃, which was balanced in graphite, was 346 mAh/g and remained the same value even after 20 cycles. The initial discharge capacities of the sample containing 30 wt% of pitch/silicon composite heat treated at 800℃ and 1000℃ were 538 mAh/g and 605 mAh/g respectively, and those after 20 cycles were 391 mAh/g and 500 mAh/g respectively. Further experiments were conducted with the constant heat treatment temperature at 1000℃ but the pitch : Si weight ratio was changed into 1 : 1 and 2 : 1. However, the cycling stability of these composites was poor. It was believed that the amount of pitch acting as the buffer of Si particle was not sufficient.
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