전 세계적으로 전기자동차(EV) 및 에너지 저장장치(ESS) 시장의 급격한 성장으로 높은 에너지 밀도를 가지는 저비용 리튬 기반 이차전지의 필요성이 커지고 있다. 증가하는 리튬 수요량으로 공급난이 계속 심화되고, 가격 또한 지속적으로 증가할 것으로 전망되고 있다. 따라서 리튬 금속을 사용하지 않는 배터리의 개발이 필요한 실정이다. 음극 소재 중 하나로써 실리콘은 ...
전 세계적으로 전기자동차(EV) 및 에너지 저장장치(ESS) 시장의 급격한 성장으로 높은 에너지 밀도를 가지는 저비용 리튬 기반 이차전지의 필요성이 커지고 있다. 증가하는 리튬 수요량으로 공급난이 계속 심화되고, 가격 또한 지속적으로 증가할 것으로 전망되고 있다. 따라서 리튬 금속을 사용하지 않는 배터리의 개발이 필요한 실정이다. 음극 소재 중 하나로써 실리콘은 흑연과 비교해 이론 용량이 10배가량 높고 방전전압이 약 0.4V Li/Li+로 비교적 낮아 리튬기반 이차전지의 차세대 음극소재로 손꼽힌다. 그러나 낮은 전기 전도성과 더불어 충/방전 시 큰 부피 팽창(~300%)으로 전극의 수명이 짧아, 실리콘 적용의 문제를 해결하고자 본 연구에서는 회전을 통한 균일한 조성 유지로 부반응을 억제하여 높은 수율을 가지는 회전식 마그네슘 열 환원법(R-MR)을 이용해 다공성 실리콘을 제조하였다. 또한 마그네슘 열 환원법의 반응속도론적인 연구를 수행하였으며, 반응속도 연구를 위한 모델로서 Ginstling-Brounstein model(GB model)을 적용하였다. 이 때 대조군으로 정적인 조건에서의 마그네슘 열 환원법도 실시하여 회전식 마그네슘 열 환원법과의 반응속도를 비교, 분석 하였다. 실험적인 실리콘의 수득률을 통해 아레니우스 조사구를 도시하면 반응의 활성화 에너지를 계산할 수 있다. 그 결과 R-MR의 활성화 에너지는 177 KJ/mol 로 계산되었다. 또한 정적인 조건의 반응속도는 750 ℃에서 4.69×10-6 이며, 회전식 조선의 반응속도는 동일 온도에서 1.46×10-5 로, 정적인 조건에 비해 회전식 조건이 월등한 반응속도를 보였다. 그리고 실리콘의 낮은 전기전도성 때문에 전극으로 이용하기 위해서 탄소를 코팅하여 다공성 실리콘/탄소 복합체를 제조하였으며 이를 음극 소재로 이용하여 반쪽 전지를 제조하고 전기화학적 테스트를 진행하였으며, 복합체는 1696 mAh g-1, 2069 mAh g-1 의 우수한 용량과 300 사이클까지 안정적인 수명 및 rate 특성을 보였다. 양극 소재로는 다공성 탄소에 황을 함침법으로 담지한 복합체를 사용하였으며 기존의 리튬-황 배터리에서 리튬음극을 배제하고 실리콘으로 대체한 실리콘-황 완전지 시스템을 설계하여 전기화학적 특성을 분석하였다. 다공성 탄소/황 복합체의 전기화학적 테스트 결과 250 사이클까지 84 %의 안정적인 용량 유지율과 우수한 가역성을 보였으며, 실리콘-황 완전지는 황의 용량이 완전히 발현되지는 않았으나, Li-metal free한 고용량 전지 설계의 가능성을 확인하였다.
전 세계적으로 전기자동차(EV) 및 에너지 저장장치(ESS) 시장의 급격한 성장으로 높은 에너지 밀도를 가지는 저비용 리튬 기반 이차전지의 필요성이 커지고 있다. 증가하는 리튬 수요량으로 공급난이 계속 심화되고, 가격 또한 지속적으로 증가할 것으로 전망되고 있다. 따라서 리튬 금속을 사용하지 않는 배터리의 개발이 필요한 실정이다. 음극 소재 중 하나로써 실리콘은 흑연과 비교해 이론 용량이 10배가량 높고 방전전압이 약 0.4V Li/Li+로 비교적 낮아 리튬기반 이차전지의 차세대 음극소재로 손꼽힌다. 그러나 낮은 전기 전도성과 더불어 충/방전 시 큰 부피 팽창(~300%)으로 전극의 수명이 짧아, 실리콘 적용의 문제를 해결하고자 본 연구에서는 회전을 통한 균일한 조성 유지로 부반응을 억제하여 높은 수율을 가지는 회전식 마그네슘 열 환원법(R-MR)을 이용해 다공성 실리콘을 제조하였다. 또한 마그네슘 열 환원법의 반응속도론적인 연구를 수행하였으며, 반응속도 연구를 위한 모델로서 Ginstling-Brounstein model(GB model)을 적용하였다. 이 때 대조군으로 정적인 조건에서의 마그네슘 열 환원법도 실시하여 회전식 마그네슘 열 환원법과의 반응속도를 비교, 분석 하였다. 실험적인 실리콘의 수득률을 통해 아레니우스 조사구를 도시하면 반응의 활성화 에너지를 계산할 수 있다. 그 결과 R-MR의 활성화 에너지는 177 KJ/mol 로 계산되었다. 또한 정적인 조건의 반응속도는 750 ℃에서 4.69×10-6 이며, 회전식 조선의 반응속도는 동일 온도에서 1.46×10-5 로, 정적인 조건에 비해 회전식 조건이 월등한 반응속도를 보였다. 그리고 실리콘의 낮은 전기전도성 때문에 전극으로 이용하기 위해서 탄소를 코팅하여 다공성 실리콘/탄소 복합체를 제조하였으며 이를 음극 소재로 이용하여 반쪽 전지를 제조하고 전기화학적 테스트를 진행하였으며, 복합체는 1696 mAh g-1, 2069 mAh g-1 의 우수한 용량과 300 사이클까지 안정적인 수명 및 rate 특성을 보였다. 양극 소재로는 다공성 탄소에 황을 함침법으로 담지한 복합체를 사용하였으며 기존의 리튬-황 배터리에서 리튬음극을 배제하고 실리콘으로 대체한 실리콘-황 완전지 시스템을 설계하여 전기화학적 특성을 분석하였다. 다공성 탄소/황 복합체의 전기화학적 테스트 결과 250 사이클까지 84 %의 안정적인 용량 유지율과 우수한 가역성을 보였으며, 실리콘-황 완전지는 황의 용량이 완전히 발현되지는 않았으나, Li-metal free한 고용량 전지 설계의 가능성을 확인하였다.
Due to the rapid growth of the global electric vehicle (EV) and energy storage (ESS) markets, the need for a low-cost lithium-based secondary battery with high energy density is increasing. Accordingly, the demand for lithium continues to increase, its supply difficulties are intensifying and prices...
Due to the rapid growth of the global electric vehicle (EV) and energy storage (ESS) markets, the need for a low-cost lithium-based secondary battery with high energy density is increasing. Accordingly, the demand for lithium continues to increase, its supply difficulties are intensifying and prices are expected to increase significantly. Therefore, it is necessary to develop secondary batteries that does not use lithium metal anodes. Silicon is one of the most promising next-generation anode materials, and its theoretical capacity is about 10 times higher than graphite. In addition, the working voltage is low at 0.4V Li/Li+, so active research and development for commercial application are underway. However, silicon has several problems. First, the electrical conductivity is low. And second, the life of the electrode is short due to the extreme volume expansion during charging and discharging. To solve this problem, in this study, porous silicon was prepared by using a rotational magnesiothermic reduction(R-MR). In this method, side reactions can be suppressed and high yield can be obtained since the uniform composition is maintained and mass transfer is enhanced by the rotational force. In addition, a kinetics study of R-MR was conducted. The Ginstling-Brunstein model was applied to estimate the reaction rate. In addition, the reaction rate in R-MR was compared with that in a conventional mgnesiothermic reduction under static conditions. The obtained porous silicon was coated with carbon to prepare a porous silicon/carbon composite, and used as an anode material. As a cathode material, a porous carbon/sulfur composite was synthesized by an impregnation method. Then, the electrochemical properties the anode and cathode active materials were investigated. Full cells for silicon-sulfur batteries, in which lithiated-silicon was used as the anode instead of lithium metal, were designed. The electrochemical properties of the silicon-sulfur batteries were investigated in terms of cycle life and energy density.
Due to the rapid growth of the global electric vehicle (EV) and energy storage (ESS) markets, the need for a low-cost lithium-based secondary battery with high energy density is increasing. Accordingly, the demand for lithium continues to increase, its supply difficulties are intensifying and prices are expected to increase significantly. Therefore, it is necessary to develop secondary batteries that does not use lithium metal anodes. Silicon is one of the most promising next-generation anode materials, and its theoretical capacity is about 10 times higher than graphite. In addition, the working voltage is low at 0.4V Li/Li+, so active research and development for commercial application are underway. However, silicon has several problems. First, the electrical conductivity is low. And second, the life of the electrode is short due to the extreme volume expansion during charging and discharging. To solve this problem, in this study, porous silicon was prepared by using a rotational magnesiothermic reduction(R-MR). In this method, side reactions can be suppressed and high yield can be obtained since the uniform composition is maintained and mass transfer is enhanced by the rotational force. In addition, a kinetics study of R-MR was conducted. The Ginstling-Brunstein model was applied to estimate the reaction rate. In addition, the reaction rate in R-MR was compared with that in a conventional mgnesiothermic reduction under static conditions. The obtained porous silicon was coated with carbon to prepare a porous silicon/carbon composite, and used as an anode material. As a cathode material, a porous carbon/sulfur composite was synthesized by an impregnation method. Then, the electrochemical properties the anode and cathode active materials were investigated. Full cells for silicon-sulfur batteries, in which lithiated-silicon was used as the anode instead of lithium metal, were designed. The electrochemical properties of the silicon-sulfur batteries were investigated in terms of cycle life and energy density.
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