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논문 상세정보

리튬이온배터리 음극활물질 Silicon/Carbon 복합소재의 전기화학적 특성

Electrochemical Characteristics of Silicon/Carbon Composites for Anode Materials of Lithium Ion Batteries

초록

본 연구에서는 리튬이차전지의 음극활물질인 실리콘/탄소 복합소재를 제조하여 전기화학적 특성을 확인하였다. 실리콘/탄소 합성물은 마그네슘의 열 환원 반응을 통해 SBA-15 (Santa Barbara Amorphous material No. 15)를 제조한 후 페놀 수지의 탄화 과정을 통해 합성하였다. 실리콘/탄소를 음극으로 제조하여 충방전, 사이클, 순환전압전류, 임피던스 테스트를 통해 분석하였다. 실리콘에 코팅된 탄소는 전기 전도도를 향상시켜 Rct값을 235 ohm (silicon)에서 30 ohm (실리콘/탄소)으로 낮추었고 리튬의 탈 삽입 시에 발생하는 실리콘의 팽창을 억제하여 전극을 안정화시키는 효과를 보여주었다. 실리콘/탄소 전극을 사용한 리튬이차전지는 1,348 mAh/g의 용량을 나타내었고 50사이클 동안 76%의 안정성을 보여주었다.

Abstract

Silicon/carbon composites as anode materials for lithium-ion batteries were examined to find the cycle performance and capacity. Silicon/carbon composites were prepared by a two-step method, including the magnesiothermic reduction of SBA-15 (Santa Barbara Amorphous material No. 15) and carbonization of phenol resin. The electrochemical behaviors of lithium ion batteries were characterized by charge/discharge, cycle, cyclic voltammetry and impedance tests. The improved electrochemical performance attributed to the fact that silicon/carbon composites suppress the volume expansion of the silicon particles and enhance the conductivity of silicon/carbon composites (30 ohm) compared to that of using the pure silicon (235 ohm). The anode electrode of silicon/carbon composites showed the high capacity approaching 1,348 mAh/g and the capacity retention ratio of 76% after 50 cycles.

본문요약 

문제 정의
  • Silicon/carbon 합성물을 전극소재로 사용하여 제조된 리튬이차전지의 경우 Silicon과 Phenol resin의 비율이 1 : 5에서 가장 우수한 용량과 사이클 안정성을 나타내었기에 다양한 C-rate에서의 용량 특성 및 사이클 특성을 알아보고자 율속 특성 시험을 실시하였다.

    또한 실리콘 표면을 카본으로 코팅함으로써 전극물질들과 집전체 사이의 전기전도도가 향상되어 빠른 리튬이온의 합금/비 합금화를 초래하여 높은 용량과 안정적인 사이클 특성을 나타냈다. Silicon/carbon 합성물을 전극소재로 사용하여 제조된 리튬이차전지의 경우 Silicon과 Phenol resin의 비율이 1 : 5에서 가장 우수한 용량과 사이클 안정성을 나타내었기에 다양한 C-rate에서의 용량 특성 및 사이클 특성을 알아보고자 율속 특성 시험을 실시하였다. Figure 6에서 나타내듯이 50번째 사이클 이후의 0.

  • 본 연구에서는 리튬이차전지의 음극소재로서 고용량인 Silicon의 부피 팽창 문제를 해결하기 위하여, 기공을 갖는 무정형 Silicon을 합성한 후 Phenol resin의 탄화 과정을 거쳐 Silicon 입자 표면에 탄소 층을 갖는 다양한 조성 비율에 따른 Silicon/carbon 복합물을 합성하였다.

    본 연구에서는 리튬이차전지의 음극소재로서 고용량인 Silicon의 부피 팽창 문제를 해결하기 위하여, 기공을 갖는 무정형 Silicon을 합성한 후 Phenol resin의 탄화 과정을 거쳐 Silicon 입자 표면에 탄소 층을 갖는 다양한 조성 비율에 따른 Silicon/carbon 복합물을 합성하였다. 합성된 Silicon/carbon의 물리적 특성을 분석하기 위하여 XRD, FE-SEM, TGA, BET 등을 측정하였다.

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질의응답 

키워드에 따른 질의응답 제공
핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
마그네슘 열 환원법
마그네슘 열 환원법이란 무엇인가?
SiO2와 Mg을 반응시켜 MgO와 Silicon으로 환원되는 방식

다른 방법으로는 다공성 Silicon을 제조하여 전해액과 전극의 접촉면적을 증가시켜 Li 이온 확산이 빠르게 진행되도록 하는 방법이 Mark 등[11, 12]에 의해 연구되었다. 다공성 실리콘 파우더를 얻기 위한 방법으로는 마그네슘 열 환원법이 있는데, 이러한 마그네슘 열 환원법은 SiO2와 Mg을 반응시켜 MgO와 Silicon으로 환원되는 방식으로, 생성된 Si/MgO를 HCl 산 처리를 하게 되면 다공성 Silicon을 얻게 된다[13, 14]. 생성된 다공성 Silicon은 무정형으로서 결정형 Silicon에 비해 열적 안정성과 유연성이 뛰어나다.

탄소층을 Silicon 표면에 코팅하는 방법
탄소층을 Silicon 표면에 코팅하는 방법이 가지는 장점은 무엇인가?
탄소가 Silicon의 표면에 코팅 시 완충제 역할을 하게 되어 실리콘의 부피팽창을 억제해 전지의 사이클 성능을 향상시킨다

Silicon의 부피팽창을 억제하는 방법으로 전도성이 뛰어나고 비활성을 띄는 탄소층을 Silicon 표면에 코팅하는 방법이 있다. 탄소가 Silicon의 표면에 코팅 시 완충제 역할을 하게 되어 실리콘의 부피팽창을 억제해 전지의 사이클 성능을 향상시킨다[8, 9]. 다른 방법으로는 다공성 Silicon을 제조하여 전해액과 전극의 접촉면적을 증가시켜 Li 이온 확산이 빠르게 진행되도록 하는 방법이 Mark 등[11, 12]에 의해 연구되었다.

Silicon
Silicon 리튬이차전지의 음극소재로 어떠한 장점을 가지는가?
4,200 mAh/g의 이론용량을 가지고 있는 음극물질로서 매우 높은 용량을 가지고 있으며 리튬과의 전위차가 낮고 매장량이 풍부하다는 장점을 갖고 있다

리튬이차전지의 음극소재로 각광받고 있는 소재 중의 하나로서 Silicon은 4,200 mAh/g의 이론용량을 가지고 있는 음극물질로서 매우 높은 용량을 가지고 있으며 리튬과의 전위차가 낮고 매장량이 풍부하다는 장점을 갖고 있다[1, 2]. 그러나 Silicon은 높은 이론 용량에 비해 리튬 이온과의 alloying/de-alloying 시 400%에 달하는 큰 부피팽창으로 Silicon 입자의 분해 및 이에 따른 Li 이온의 저장 공간이 손실되어 충⋅방전 지속 시에 용량 저하가 빠르게 발생하는 단점을 갖고 있다[3, 4].

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참고문헌 (19)

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