고에너지 리튬 이차전지를 위한 실리콘 음극소재의 초기효율 및 수명특성 향상 연구 Improvement of Initial Coulombic Efficiency and Cycle Life of Silicon Anodes for High-Energy Lithium-ion batteries원문보기
화석연료의 지속 사용으로 인한 환경오염 문제가 심각해지면서 청정에너지 기술개발에 대해 연구가 활발히 진행되고 있다. 이에 따라 에너지효율 향상과 청정에너지 보급 확대를 위한 전기자동차(Electric Vehicle), 및 에너지 저장 시스템(energy storge system) 및 휴대용기기 (portable device)등의 전원장치로 리튬이온 이차전지의 수요가 급격히 증가하고 있다. 그러나 현재 상용 리튬이온 ...
화석연료의 지속 사용으로 인한 환경오염 문제가 심각해지면서 청정에너지 기술개발에 대해 연구가 활발히 진행되고 있다. 이에 따라 에너지효율 향상과 청정에너지 보급 확대를 위한 전기자동차(Electric Vehicle), 및 에너지 저장 시스템(energy storge system) 및 휴대용기기 (portable device)등의 전원장치로 리튬이온 이차전지의 수요가 급격히 증가하고 있다. 그러나 현재 상용 리튬이온 이차전지의 에너지 밀도가 큰 대형 장비에 적용하거나 휴대용기기의 소형화를 하기에는 부족하다. 에너지 밀도는 음극과 양극의 전압 차이와 용량에 의해 결정되기 때문에 새로운 고용량 음극재와 양극재의 탐색이 요구된다. 고에너지 리튬 이차전지의 에너지 밀도를 높일 수 있는 음극 소재로 실리콘(Si), 주석(Sn), 금속산화물 등의 음극재가 주목을 받고 있으며 그중 실리콘에 대한 연구가 활발하게 진행되면서 흑연 음극을 대체할 차세대 음극 소재로 부상하고 있다. 실리콘은 3600mAh.g-1의 높은 이론 용량과 0.4V (vs. Li/Li+)의 낮은 작동 전압을 가지고 있다는 장점이 있다. 하지만 충/방전 사이클이 진행되는 동안 약300%의 부피팽창을 보여 전극 파쇄에 의한 전극의 안정성이 낮고 첫 충/방전 사이클에서 높은 비가역용량으로 인해 완전지의 수명과 에너지밀도를 낮추는 문제가 있다. 상기 실리콘 음극의 초기비가역과 수명특성을 향상하는 방안으로 1) 전기방사를 이용하여 파이버 형태의 복합체(Si/CF)로 제조하여 안정적인 구조를 형성하는 방법과, 2) 상용 제올라이트를 이용한 마그네슘 열환원법을 도입하여 부피팽창을 효과적으로 구조 내부에 흡수가 가능한 다공성 실리콘을 제안하였다. 또한 전기전도도를 향상시키고 높은 가역용량을 확보하고자 다공성실리콘을 pitch carbon용액으로 탄소코팅하여 다공성 실리콘/탄소 복합체(mpSi/C)를 제조하였다. 이때 실리콘 음극소재의 초기 효율과 수명특성을 비교하기 위해 전기방사로 제조한 실리콘 탄소파이버(Si/CF), 실리콘/탄소복합체(mpSi/C)의 실리콘 함량을 달리하고 전해액조성, 흑연과의 혼합 방법 및 비율, 전극 포뮬레이션 등을 주요 변수로 하여 반쪽전지를 제조하였다. 제조한 반쪽전지는 전기화학적 테스트를 진행하여 초기효율 및 수명특성에 대해 평가하였다.
화석연료의 지속 사용으로 인한 환경오염 문제가 심각해지면서 청정에너지 기술개발에 대해 연구가 활발히 진행되고 있다. 이에 따라 에너지효율 향상과 청정에너지 보급 확대를 위한 전기자동차(Electric Vehicle), 및 에너지 저장 시스템(energy storge system) 및 휴대용기기 (portable device)등의 전원장치로 리튬이온 이차전지의 수요가 급격히 증가하고 있다. 그러나 현재 상용 리튬이온 이차전지의 에너지 밀도가 큰 대형 장비에 적용하거나 휴대용기기의 소형화를 하기에는 부족하다. 에너지 밀도는 음극과 양극의 전압 차이와 용량에 의해 결정되기 때문에 새로운 고용량 음극재와 양극재의 탐색이 요구된다. 고에너지 리튬 이차전지의 에너지 밀도를 높일 수 있는 음극 소재로 실리콘(Si), 주석(Sn), 금속산화물 등의 음극재가 주목을 받고 있으며 그중 실리콘에 대한 연구가 활발하게 진행되면서 흑연 음극을 대체할 차세대 음극 소재로 부상하고 있다. 실리콘은 3600mAh.g-1의 높은 이론 용량과 0.4V (vs. Li/Li+)의 낮은 작동 전압을 가지고 있다는 장점이 있다. 하지만 충/방전 사이클이 진행되는 동안 약300%의 부피팽창을 보여 전극 파쇄에 의한 전극의 안정성이 낮고 첫 충/방전 사이클에서 높은 비가역용량으로 인해 완전지의 수명과 에너지밀도를 낮추는 문제가 있다. 상기 실리콘 음극의 초기비가역과 수명특성을 향상하는 방안으로 1) 전기방사를 이용하여 파이버 형태의 복합체(Si/CF)로 제조하여 안정적인 구조를 형성하는 방법과, 2) 상용 제올라이트를 이용한 마그네슘 열환원법을 도입하여 부피팽창을 효과적으로 구조 내부에 흡수가 가능한 다공성 실리콘을 제안하였다. 또한 전기전도도를 향상시키고 높은 가역용량을 확보하고자 다공성실리콘을 pitch carbon용액으로 탄소코팅하여 다공성 실리콘/탄소 복합체(mpSi/C)를 제조하였다. 이때 실리콘 음극소재의 초기 효율과 수명특성을 비교하기 위해 전기방사로 제조한 실리콘 탄소파이버(Si/CF), 실리콘/탄소복합체(mpSi/C)의 실리콘 함량을 달리하고 전해액조성, 흑연과의 혼합 방법 및 비율, 전극 포뮬레이션 등을 주요 변수로 하여 반쪽전지를 제조하였다. 제조한 반쪽전지는 전기화학적 테스트를 진행하여 초기효율 및 수명특성에 대해 평가하였다.
Since environmental pollution problems caused by exhaustion of fossil fuels and overuse of fossil fuels have become serious, extensive researches on clean energy technology is actively conducted worldwide. However, the energy density of commercial lithium-ion secondary battery is not sufficient to a...
Since environmental pollution problems caused by exhaustion of fossil fuels and overuse of fossil fuels have become serious, extensive researches on clean energy technology is actively conducted worldwide. However, the energy density of commercial lithium-ion secondary battery is not sufficient to apply to large energy-intensive equipment or electric vehicles, energy storage system and portable devices. Development of new cathode and anode materials offering high capacity is required because the energy density is determined by the voltage difference between the cathode and anode and capacities of the cathode and anode. Anode materials such as silicon (Si), tin (Sn), and metal oxides are attractive materials that can increase the energy density of lithium secondary batteries. Silicon is one of the most attractive anode materials emerging as the next-generation anode material to substitute graphite anodes. Silicon has the advantage of high theoretical capacity (3600mAh.g-1) and low working voltage (0.4V vs. Li/Li+). However, during the charge/discharge cycle, the electrodes are not stable due to electrode pulverization due to large volume expansion, and the energy density in a full cell is reduced due to the high irreversible capacity during the first charge/discharge cycle. In order to solve these problems and improve the irreversible capacity and life characteristics of silicon anodes, we suggest the method of producing a stable structure using 1) electrospinning in the form of fiber (Si/CF), and 2) magnesiothermic reduction method that yields mesoporous silicon using commercial zeolite. To improve electrical conductivity and to enhance reversible capacity, the mesoporous silicon/carbon composites (mpSi/C) were prepared by carbon coating on porous silicon using pitch carbon solution. To compare the initial efficiency and life characteristics of silicon anode materials, the half-cell was assembled with the various variables such as silicon content (Si/CF and mpSi/C), electrolyte composition, graphite mixing method and ratio, and electrode formulation. Assembled half-cells were evaluated for electrochemical properties by conducting various electrochemical tests.
Since environmental pollution problems caused by exhaustion of fossil fuels and overuse of fossil fuels have become serious, extensive researches on clean energy technology is actively conducted worldwide. However, the energy density of commercial lithium-ion secondary battery is not sufficient to apply to large energy-intensive equipment or electric vehicles, energy storage system and portable devices. Development of new cathode and anode materials offering high capacity is required because the energy density is determined by the voltage difference between the cathode and anode and capacities of the cathode and anode. Anode materials such as silicon (Si), tin (Sn), and metal oxides are attractive materials that can increase the energy density of lithium secondary batteries. Silicon is one of the most attractive anode materials emerging as the next-generation anode material to substitute graphite anodes. Silicon has the advantage of high theoretical capacity (3600mAh.g-1) and low working voltage (0.4V vs. Li/Li+). However, during the charge/discharge cycle, the electrodes are not stable due to electrode pulverization due to large volume expansion, and the energy density in a full cell is reduced due to the high irreversible capacity during the first charge/discharge cycle. In order to solve these problems and improve the irreversible capacity and life characteristics of silicon anodes, we suggest the method of producing a stable structure using 1) electrospinning in the form of fiber (Si/CF), and 2) magnesiothermic reduction method that yields mesoporous silicon using commercial zeolite. To improve electrical conductivity and to enhance reversible capacity, the mesoporous silicon/carbon composites (mpSi/C) were prepared by carbon coating on porous silicon using pitch carbon solution. To compare the initial efficiency and life characteristics of silicon anode materials, the half-cell was assembled with the various variables such as silicon content (Si/CF and mpSi/C), electrolyte composition, graphite mixing method and ratio, and electrode formulation. Assembled half-cells were evaluated for electrochemical properties by conducting various electrochemical tests.
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