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초록
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리튬 2차전지 음전극 활물질로 사용하기 위해, 실리콘(Si) 나노입자(평균입경 100 nm, 0~50 wt%)와 흑연 분말(평균입경 $15{\mu}m$)을 사용하여 볼밀링법으로 흑연-실리콘 복합체 분말을 제조하고 그 전기화학적 특성을 조사하였다. 실리콘 함량이 증가할수록 흑연은 볼밀링에 의해 입경이 작아지고 무정형 특성을 보이는 반면, 실리콘 입자는 나노결정성의 변화 없이 무정형 흑연 내에 싸여진 형태로 유지되었다. 저속 사이클릭 볼타메트리 특성상 0.2~0.35 V와 0.55~0.6 V에서 각각 흑연과 실리콘의 전형적 산화피크가 검출되었고 가역성도 우수(첫 사이클 제외)한 반면, 고속 거동에서는 사이클 반복에 따른 비가역성이 현저하게 나타났다. 또한 충방전 초기에는 큰 비가역 용량이 나타나지만 사이클 경과에 따라 감소하였으며, 특히 실리콘을 20 wt% 정도 포함하는 복합체가 50 사이클에서 약 485 mAh $g^{-1}$의 포화된 방전용량을 나타내었다. 이것은 실리콘을 싸고 있는 흑연의 무정형 상이 실리콘-리튬의 합금/탈합금에 따른 체적 변화를 안정적으로 완충할 수 있는 모폴로지가 재료의 적정 조성(흑연:실리콘=8:2 w/w)에 의해 형성되었기 때문이다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

To use as an anode material of lithium secondary battery, graphite-silicon composite powders are prepared by ball-milling with silicon nanoparticles (average diameter 100 nm, 0~50 wt%) and graphite powder (average diameter $15{\mu}m$) and their electrochemical properties are examined. As ...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 본 연구에서는 고속 (1,000rpm) 및 단시간(2시간)의 단순한 고에너지 볼밀링 조건하에서 순조롭게 얻어질 수 있는 흑연-실리콘 복합체 분말의 모폴로지, 결정성은 물론 복합체 전극을 제작하여 그 전기화학적 특성을 조사한다. 결과적으로 실리콘 함량 변화에 따른 복합체의 특성 변화를 고찰하고 이를 통하여 가장 우수한 전기화학적 특성을 도출할 수 있는 최적 함량을 결정하고자 한다.
  • 여기에서 실리콘 함량은 볼밀링법으로 제조한 흑연-실리콘 복합체에 대한 기존 보고[3-9]에서의 실리콘 함량을 모두 포함하는 범위로서(단 실리콘 함량 60 wt%를 사용한 경우[10] 제외), 대개 흑연상 내에 실리콘 입자가 포함된 형태의 복합체 모폴로지를 보인다. 본 연구에서는 고속 (1,000rpm) 및 단시간(2시간)의 단순한 고에너지 볼밀링 조건하에서 순조롭게 얻어질 수 있는 흑연-실리콘 복합체 분말의 모폴로지, 결정성은 물론 복합체 전극을 제작하여 그 전기화학적 특성을 조사한다. 결과적으로 실리콘 함량 변화에 따른 복합체의 특성 변화를 고찰하고 이를 통하여 가장 우수한 전기화학적 특성을 도출할 수 있는 최적 함량을 결정하고자 한다.
  • 본 연구에서는 리튬 2차전지 음전극 활물질로 사용하기 위해, 평균입경 100nm의 실리콘 나노입자와 평균입경 15µm의 흑연 분말을 볼밀링법으로 혼합, 파쇄하여 흑연-실리콘 복합체 음극 활물질을 제조하고 그 결정성, 모폴로지, 산화환원 거동 및 충방전 특성 등을 조사하였다.
  • 본 연구에서는 실리콘 함량 변화에 따른 전기화학적 성질의 영향을 알아보기 위하여 100nm 크기의 실리콘 나노입자와 15µm 크기의 흑연 분말을 함께 고속 볼밀링하여 실리콘-흑연 복합체 분말을 제조하되, 실리콘 함량을 0~50 wt%의 범위에서 변화시켰다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
볼밀링법의 특징은? 볼밀링법은 저렴한 비용으로 신속하고 효율적으로 리튬 2차전지 산업에 대한 경제성을 갖는 흑연-실리콘 복합체를 제조할 수 있는 간단한 방법으로 알려져 있다[10]. 즉 고속교반과 강직성 볼에 의해 재료에 충격력과 전단력이 복합적으로 가해져 기계적으로 실리콘과 탄소로 구성되는 이종 복합체 분말이 제조될 수 있으며, 그 원료의 함량과 주요 볼밀링 조건(대표적으로 밀링 속도와 시간)에 의해 복합체의 모폴로지를 조절할 수 있는 장점도 있다. 즉 Fig.
볼밀링법이란? 볼밀링법은 저렴한 비용으로 신속하고 효율적으로 리튬 2차전지 산업에 대한 경제성을 갖는 흑연-실리콘 복합체를 제조할 수 있는 간단한 방법으로 알려져 있다[10]. 즉 고속교반과 강직성 볼에 의해 재료에 충격력과 전단력이 복합적으로 가해져 기계적으로 실리콘과 탄소로 구성되는 이종 복합체 분말이 제조될 수 있으며, 그 원료의 함량과 주요 볼밀링 조건(대표적으로 밀링 속도와 시간)에 의해 복합체의 모폴로지를 조절할 수 있는 장점도 있다.
실리콘 (Si) 분말재료가 리튬 2차전지의 음극 활물질 재료로서 각광을 받고 있는 이유는? 최근 실리콘 (Si) 분말재료가 중량당 고용량 특성 (리튬과의 합금 화합물 Li4.4Si로 반응하는데 대한 이론용량 4,200 mAh g −1 ) [1,2] 때문에 리튬 2차전지의 음극 활물질 재료로서 각광을 받고 있다. 그러나 Li-Si와 Li4.
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참고문헌 (33)

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  32. Vovk, O. M., Na, B. K., Cho, B. W. and Lee, J. K., "Electrochemical Characteristics of Amorphous Carbon Coated Silicon Electrodes," Korean J. Chem. Eng., 26(4), 1034-1039(2009). 

  33. Martin, C., Crosnier, O., Retoux, R., Belanger, D., Schleich, D. M. and Brousse, T., "Chemical Coupling of Carbon Nanotubes and Silicon Nanoparticles for Improved Negative Electrode Performance in Lithium-ion Batteries," Adv. Funct. Mater., 21(18), 3524-3530 (2011). 

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