$\require{mediawiki-texvc}$
  • 검색어에 아래의 연산자를 사용하시면 더 정확한 검색결과를 얻을 수 있습니다.
  • 검색연산자
검색연산자 기능 검색시 예
() 우선순위가 가장 높은 연산자 예1) (나노 (기계 | machine))
공백 두 개의 검색어(식)을 모두 포함하고 있는 문서 검색 예1) (나노 기계)
예2) 나노 장영실
| 두 개의 검색어(식) 중 하나 이상 포함하고 있는 문서 검색 예1) (줄기세포 | 면역)
예2) 줄기세포 | 장영실
! NOT 이후에 있는 검색어가 포함된 문서는 제외 예1) (황금 !백금)
예2) !image
* 검색어의 *란에 0개 이상의 임의의 문자가 포함된 문서 검색 예) semi*
"" 따옴표 내의 구문과 완전히 일치하는 문서만 검색 예) "Transform and Quantization"

논문 상세정보

CNT를 첨가한 Silicon/Carbon 음극소재의 전기화학적 특성

Electrochemical Characteristics of Silicon/Carbon Composites with CNT for Anode Material

초록

실리콘의 부피팽창과 낮은 전기전도도를 개선하기 위하여 Silicon/Carbon/CNT 복합체를 제조하였다. Silicon/Carbon/CNT 합성물은 SBA-15를 합성한 후, 마그네슘 열 환원 반응으로 Silicon/MgO를 제조하여 Phenolic resin과 CNT를 첨가하여 탄화하는 과정을 통해 합성하였다. 제조된 Silicon/Carbon/CNT 합성물은 XRD, SEM, BET, EDS를 통해 특성을 분석하였다. 본 연구에서는 충방전, 사이클, 순환전압전류, 임피던스 테스트를 통해 CNT 첨가량에 따른 전기화학적 효과를 조사하였다. $LiPF_6$ (EC:DMC:EMC=1 :1 :1 vol%) 전해액에서 Silicon/Carbon/CNT 음극활물질을 사용하여 제조한 코인셀은 CNT 함량이 7 wt% 일 때 1,718 mAh/g으로 높은 용량을 나타내었다. 코인셀의 사이클 성능은 CNT 첨가량이 증가할수록 개선되었다. 11 wt%의 CNT를 첨가한 Silicon/Carbon/CNT 음극은 두 번째 사이클 이후 83%의 높은 용량 보존율을 나타냄을 알 수 있었다.

Abstract

Silicon/Carbon/CNT composites as anode materials for lithium-ion batteries were synthesized to overcome the large volume change during lithium alloying-de alloying process and low electrical conductivity. Silicon/Carbon/CNT composites were prepared by the fabrication processes including the synthesis of SBA-15, magnesiothermic reduction of SBA-15 to obtain Si/MgO by ball milling, carbonization of phenolic resin with CNT and HCl etching. The prepared Silicon/Carbon/CNT composites were analysed by XRD, SEM, BET and EDS. In this study, the electrochemical effect of CNT content to improve the capacity and cycle performance was investigated by charge/discharge, cycle, cyclic voltammetry and impedance tests. The coin cell using Silicon/Carbon/CNT composite (Si:CNT=93:7 in weight) in the electrolyte of $LiPF_6$ dissolved in organic solvents (EC:DMC:EMC=1:1:1 vol%) has better capacity (1718 mAh/g) than those of other composition coin cells. The cycle performance of coin cell was improved as CNT content was increased. It is found that the coin cell (Si:CNT=89:11 in weight) has best capacity retension (83%) after 2nd cycle.

본문요약 

제안 방법
  • 7 wt%를 첨가하였을 때 기공이 균일하지 않게 형성되는 것을 확인하였고, SBA-15, Silicon과 Silicon/Carbon/CNT 합성물의 비표면적을 BET를 통해 측정하였다.

    4에서 도시하였다. 7 wt%를 첨가하였을 때 기공이 균일하지 않게 형성되는 것을 확인하였고, SBA-15, Silicon과 Silicon/Carbon/CNT 합성물의 비표면적을 BET를 통해 측정하였다. 각 물질의 질소 흡·탈착 등온선을 Fig.

  • CNT 함량에 따른 율속 특성 시험을 하여 다양한 C-rate에서의 용량 특성 및 사이클 특성을 알아보았다.

    CNT 함량에 따른 율속 특성 시험을 하여 다양한 C-rate에서의 용량 특성 및 사이클 특성을 알아보았다. Fig.

  • SBA-15는 온도, HCl농도에 따라 길이와 비표면적에 영향을 받게 되는데 본 연구에서는 최적의 조건을 찾는 실험을 선행하여 SBA15를 합성하였다.

    SBA-15는 온도, HCl농도에 따라 길이와 비표면적에 영향을 받게 되는데 본 연구에서는 최적의 조건을 찾는 실험을 선행하여 SBA15를 합성하였다. Zhao 등[11]과 Wang 등[12]의 연구에서 다양한 조건에서의 SBA-15를 합성하는 연구를 하였다.

  • Silicon/Carbon/CNT 합성물에서의 카본 함량을 알아보기 위하여 Air 분위기에서 5℃~1000℃까지 가열하면서 TGA를 측정하였다.

    또한 Silicon/Carbon/CNT의 구성 원소와 입자 깊이에 따른 원소함량을 알아보기 위해 EDS line scan 실험을 실시하여 표면에 Carbon과 CNT가 코팅되어 탄소 함량이 높아지는 것을 확인할 수 있었다. Silicon/Carbon/CNT 합성물에서의 카본 함량을 알아보기 위하여 Air 분위기에서 5℃~1000℃까지 가열하면서 TGA를 측정하였다. Silicon/Carbon/CNT 합성물에서의 카본 물질 함량은 대략 83% 이며, TGA 분석결과 대략 400~600℃까지 82.

  • Silicon/Carbon/CNT 합성물의 전기화학적 특성을 확인하기 위하여 Li metal을 상대전극으로 하여 코인 타입의 half cell을 제조하였다.

    전기 화학적 특성 분석을 위한 전극 제조는 활물질(Silicon/Carbon/CNT) : 도전재(Super-P) : 바인더(PVDF)를 6 : 2 : 2의 중량비로 혼합하여 슬러리를 제조하였으며 NMP (1-methyl-2-pyrr odidinone, Sigma Aldrich)로 점도를 조절하여 슬러리 제조 후에 구리 호일에 코팅하여 전극을 제조하였다. Silicon/Carbon/CNT 합성물의 전기화학적 특성을 확인하기 위하여 Li metal을 상대전극으로 하여 코인 타입의 half cell을 제조하였다. 제조된 Silicon/Carbon/CNT 합성물의 입자 형상 관찰과 물질 조성 분석을 위해 SEM (Scanning Electron Microscope,S-2500C, Hitachi)과 EDS (Energy-dispersive X-ray spectroscopy, AURIGA) 분석을 하였다.

  • XRD (X-ray dif fraction, Bruker-D-5005) 분석으로 결정 구조를 확인하였고, 합성물의 비표면적 및 기공크기 등을 BET를 통해 측정 하였으며 TGA (SDT-2960, TA-Instruments)를 통하여 합성 물질의 탄소 함량을 알아보았다.

    제조된 Silicon/Carbon/CNT 합성물의 입자 형상 관찰과 물질 조성 분석을 위해 SEM (Scanning Electron Microscope,S-2500C, Hitachi)과 EDS (Energy-dispersive X-ray spectroscopy, AURIGA) 분석을 하였다. XRD (X-ray dif fraction, Bruker-D-5005) 분석으로 결정 구조를 확인하였고, 합성물의 비표면적 및 기공크기 등을 BET를 통해 측정 하였으며 TGA (SDT-2960, TA-Instruments)를 통하여 합성 물질의 탄소 함량을 알아보았다. 제작된 전지의 전기화학적 특성을 평가하기 위해 WBCS 3000 Battery Cycler (Won ATech)를 이용하여 충·방전 시험을 하였다.

  • 본 연구에서는 SBA-15의 마그네슘 열 환원 반응으로 38.18 nm의 메조기공이 형성된 실리콘을 제조한 후 페놀 레진과 3 wt%, 7 wt%, 11 wt%의 CNT와 합성하여 Silicon/Carbon/CNT 복합체를 제조하였다.

    본 연구에서는 SBA-15의 마그네슘 열 환원 반응으로 38.18 nm의 메조기공이 형성된 실리콘을 제조한 후 페놀 레진과 3 wt%, 7 wt%, 11 wt%의 CNT와 합성하여 Silicon/Carbon/CNT 복합체를 제조하였다. 제조된 합성물을 음극재로 하여 리튬이차전지를 제조하고 전기화학적 특성을 분석한 결과, CNT의 첨가량 중 11 wt%에서 두 번째 사이클 이후 83%의 가장 우수한 용량 유지율을 보였다.

  • 본 연구에서는 마그네슘 열 환원법을 이용하여 Mesoporous Santa Barbara Amorphous-15 (SBA-15)로부터 기공을 갖는 Silicon을 합성한 후 Silicon의 부피팽창 완화를 위해 페놀 레진을 탄소전구체로 하여 카본코팅을 하고 전기전도도가 높은 CNT를 다양한 비율로 첨가하여 복합체를 합성하였다.

    본 연구에서는 마그네슘 열 환원법을 이용하여 Mesoporous Santa Barbara Amorphous-15 (SBA-15)로부터 기공을 갖는 Silicon을 합성한 후 Silicon의 부피팽창 완화를 위해 페놀 레진을 탄소전구체로 하여 카본코팅을 하고 전기전도도가 높은 CNT를 다양한 비율로 첨가하여 복합체를 합성하였다. 합성된 Silicon/Carbon/CNT의 물리적 특성을 분석하기 위하여 XRD, FE-SEM, TGA, BET, EDS 등을 측정하였고, 충방전, 사이클, 율속, 순환전압전류, 임피던스 테스트를 통해 전기화학적 특성을 조사하였다.

  • 소성 후 얻은 Silicon/MgO의 5배 중량 Phenol resin (KANGNAM CHEMICAL)을 아세톤에 용해한 후 Silicon/MgO의 3 wt%, 7 wt%, 11 wt% 중량비의 CNT (purity 90%, diameter ~20 nm, Applied Carbon Nano Technology)를 각각 첨가하여 겔상태로 만든 후 800℃에서 Ar 가스 분위기 하에서 7시간 소성하여 Silicon/MgO/Carbon/CNT 복합체를 제조한다.

    제조된 SBA-15을 Mg (Sigma Aldrich)와 1 : 2의 몰 비율로 물리적 혼합하여 650℃, Ar 가스 분위기 하에서 5시간 소성한다. 소성 후 얻은 Silicon/MgO의 5배 중량 Phenol resin (KANGNAM CHEMICAL)을 아세톤에 용해한 후 Silicon/MgO의 3 wt%, 7 wt%, 11 wt% 중량비의 CNT (purity 90%, diameter ~20 nm, Applied Carbon Nano Technology)를 각각 첨가하여 겔상태로 만든 후 800℃에서 Ar 가스 분위기 하에서 7시간 소성하여 Silicon/MgO/Carbon/CNT 복합체를 제조한다. 소성 후 1 mol/L의 HCl로 산처리 한 후 에탄올과 증류수를 이용하여 필터링하여 70℃ 오븐에서 12시간 건조하여 Silicon/Carbon/CNT를 제조한다.

  • 순환 전압 전류 테스트는 구동 전압을 0~2.5 V로 하고 0.1 mV/s scan rate에서 측정하였으며 100 KHz~0.01 Hz의 범위에서 ZIVE LAB MP2 (Won A Tech)를 이용하여 임피던스 시험을 하였다.

    5 V로 하고 다양한 C-rate에서 율속 테스트를 진행하였다. 순환 전압 전류 테스트는 구동 전압을 0~2.5 V로 하고 0.1 mV/s scan rate에서 측정하였으며 100 KHz~0.01 Hz의 범위에서 ZIVE LAB MP2 (Won A Tech)를 이용하여 임피던스 시험을 하였다.

  • 음극 소재로 사용한 Silicon/Carbon/CNT 합성물은 CNT의 합량을3 wt%, 7 wt%, 11 wt%로 각각 첨가하였으며, 그에 따른 충·방전 특성을 분석하여 Table 2와 Fig. 8에 나타내었다.

    음극 소재로 사용한 Silicon/Carbon/CNT 합성물은 CNT의 합량을3 wt%, 7 wt%, 11 wt%로 각각 첨가하였으며, 그에 따른 충·방전 특성을 분석하여 Table 2와 Fig. 8에 나타내었다.

  • 전극 표면 반응을 알아보기 위해 0.1 mV/s의 Scan rate로 순환 전압 전류 실험을 실시하였다.

    전극 표면 반응을 알아보기 위해 0.1 mV/s의 Scan rate로 순환 전압 전류 실험을 실시하였다. Fig.

  • 제작된 전지의 전기화학적 특성을 평가하기 위해 WBCS 3000 Battery Cycler (Won ATech)를 이용하여 충·방전 시험을 하였다.

    제작된 전지의 전기화학적 특성을 평가하기 위해 WBCS 3000 Battery Cycler (Won ATech)를 이용하여 충·방전 시험을 하였다.

  • 제조된 Silicon/Carbon/CNT 합성물의 입자 형상 관찰과 물질 조성 분석을 위해 SEM (Scanning Electron Microscope,S-2500C, Hitachi)과 EDS (Energy-dispersive X-ray spectroscopy, AURIGA) 분석을 하였다.

    Silicon/Carbon/CNT 합성물의 전기화학적 특성을 확인하기 위하여 Li metal을 상대전극으로 하여 코인 타입의 half cell을 제조하였다. 제조된 Silicon/Carbon/CNT 합성물의 입자 형상 관찰과 물질 조성 분석을 위해 SEM (Scanning Electron Microscope,S-2500C, Hitachi)과 EDS (Energy-dispersive X-ray spectroscopy, AURIGA) 분석을 하였다. XRD (X-ray dif fraction, Bruker-D-5005) 분석으로 결정 구조를 확인하였고, 합성물의 비표면적 및 기공크기 등을 BET를 통해 측정 하였으며 TGA (SDT-2960, TA-Instruments)를 통하여 합성 물질의 탄소 함량을 알아보았다.

  • 충·방전 테스트의 cut-off voltage는 0.01 V~1.5 V로 하고 다양한 C-rate에서 율속 테스트를 진행하였다.

    충·방전 테스트의 cut-off voltage는 0.01 V~1.5 V로 하고 다양한 C-rate에서 율속 테스트를 진행하였다.

  • 합성된 Silicon/Carbon/CNT의 물리적 특성을 분석하기 위하여 XRD, FE-SEM, TGA, BET, EDS 등을 측정하였고, 충방전, 사이클, 율속, 순환전압전류, 임피던스 테스트를 통해 전기화학적 특성을 조사하였다.

    본 연구에서는 마그네슘 열 환원법을 이용하여 Mesoporous Santa Barbara Amorphous-15 (SBA-15)로부터 기공을 갖는 Silicon을 합성한 후 Silicon의 부피팽창 완화를 위해 페놀 레진을 탄소전구체로 하여 카본코팅을 하고 전기전도도가 높은 CNT를 다양한 비율로 첨가하여 복합체를 합성하였다. 합성된 Silicon/Carbon/CNT의 물리적 특성을 분석하기 위하여 XRD, FE-SEM, TGA, BET, EDS 등을 측정하였고, 충방전, 사이클, 율속, 순환전압전류, 임피던스 테스트를 통해 전기화학적 특성을 조사하였다.

대상 데이터
  • 전기 화학적 특성 분석을 위한 전극 제조는 활물질(Silicon/Carbon/CNT) : 도전재(Super-P) : 바인더(PVDF)를 6 : 2 : 2의 중량비로 혼합하여 슬러리를 제조하였으며 NMP (1-methyl-2-pyrr odidinone, Sigma Aldrich)로 점도를 조절하여 슬러리 제조 후에 구리 호일에 코팅하여 전극을 제조하였다.

    전기 화학적 특성 분석을 위한 전극 제조는 활물질(Silicon/Carbon/CNT) : 도전재(Super-P) : 바인더(PVDF)를 6 : 2 : 2의 중량비로 혼합하여 슬러리를 제조하였으며 NMP (1-methyl-2-pyrr odidinone, Sigma Aldrich)로 점도를 조절하여 슬러리 제조 후에 구리 호일에 코팅하여 전극을 제조하였다. Silicon/Carbon/CNT 합성물의 전기화학적 특성을 확인하기 위하여 Li metal을 상대전극으로 하여 코인 타입의 half cell을 제조하였다.

본문요약 정보가 도움이 되었나요?

질의응답 

키워드에 따른 질의응답 제공
핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
실리콘-탄소 복합체
실리콘-탄소 복합체는 실리콘의 부피팽창 문제를 어떻게 해결했는가?
실리콘 표면에 비활성을 띄는 탄소층 코팅시 완충제 역할을 하게 되어 실리콘의 부피팽창을 억제하는 것뿐만 아니라 전기 전도도가 높은 탄소가 전지성능을 향상시킨다

실리콘의 부피팽창을 억제하는 방법으로 용량이 높으면서 우수한 사이클 특성을 가지는 실리콘-탄소 복합체를 제조하는 방법이 연구되고 있다. 실리콘 표면에 비활성을 띄는 탄소층 코팅시 완충제 역할을 하게 되어 실리콘의 부피팽창을 억제하는 것뿐만 아니라 전기 전도도가 높은 탄소가 전지성능을 향상시킨다[7]. Liu 등[8]의 연구에서는 Pitch, PVC,Sucrose 등의 여러 종류 탄소 전구체를 탄화시키는 방법을 사용하여 실리콘과 복합체를 제조한 후 탄소 전구체별 전지 성능을 비교하였다.

리튬이차전지
리튬이차전지가 다른 이차전지에 비해 가지고 있는 장점은 무엇인가?
다른 이차전지에 비해 작동 전압 및 에너지 밀도가 높을 뿐 아니라 오래 사용할 수 있어 기기의 다양화와 복잡화에 따른 복잡한 요구조건을 충족시킬 수 있는 우수한 특성을 지니고 있다.

휴대용 전자기기 및 전기자동차 시장의 성장에 따라 이를 전원으로 사용하는 에너지 저장장치에 대한 관심이 높아지고 있다[1]. 리튬이차전지는 다른 이차전지에 비해 작동 전압 및 에너지 밀도가 높을 뿐 아니라 오래 사용할 수 있어 기기의 다양화와 복잡화에 따른 복잡한 요구조건을 충족시킬 수 있는 우수한 특성을 지니고 있다. 이러한 고성능 전지 특성에 기인하여 플러그인 하이브리드 자동차 및 전기자동차, 그리고 산업용 공구, 로봇의 전원 같은 대용량 에너지 저장 장치로서 중요성을 더해가고 있다[2].

실리콘
실리콘이 탄소 계 음극 소재를 대체할 고용량 리튬이차전지 음극소재로 각광받는 이유는 무엇인가?
친환경적이고 4200 mAh/g의 우수한 용량을 가지며 지구상에 풍부하게 존재하기 때문에

리튬 이차전지의 음극소재인 실리콘은 친환경적이고 4200 mAh/g의 우수한 용량을 가지며 지구상에 풍부하게 존재하기 때문에 탄소 계 음극 소재를 대체할 고용량 리튬이차전지 음극소재로 각광 받고 있다[3]. 하지만 Silicon 하나 당 4.

질의응답 정보가 도움이 되었나요?

참고문헌 (14)

  1. 1. Ko, H. S., Choi, J. E. and Lee, J. D., "Electrochemical Characteristics of Hybrid Capacitor using Core-shell Structure of MCMB/ $Li_4Ti_5O_{12}$ Composite," Korean Chemical Engineering Research, 52, 52-57 (2014). 
  2. 2. Jeon, B. J., Kang, S. W. and Lee, J. K., "Electrochemical Characteristics of Silicon Coated Graphite Prepared by Gas Suspension Spray Method for Anode Material of Lithium Secondary Batteries," The Korean Journal of Chemical Engineering, 23, 854-859(2006). 
  3. 3. Pan, L. I., Wang, H., Gao, D., Chen, S., Tan, L. and Li, L., "Facile Synthesis of Yolk-Shell Structured Si-C Nanocomposites as Anode for Lithium-ion Batteries," The Royal Society of Chemistry, 50, 5878-5880(2014). 
  4. 4. Zhou, X. Y., Tang, J. J., Yang, J., Xie, J. and Ma, L. L., "Silicon @carbon Hollow Core-shell Heterostructures Novel Anode Materials for Lithium Ion Batteries," Electrochimica Acta, 87, 663-668(2013). 
  5. 5. Wen, Z., Lu, G., Mao, S., Kim, H., Cui, S., Yu, K., Huang, X., Hurley, P. T., Mao, O. and Chen, J., "Silicon Nanotube Anode for Lithium-ion Batteries," Electrochemistry Communications, 29, 67-70(2013). 
  6. 6. Yim, T., Choi, S. J., Jo, Y. N., Kim, T. H., Kim, K. J., Jeong, G. and Kim, Y. J., "Effect of Binder Properties on Electrochemical Performance for Silicon-graphite Anode : Method and Application of Binder Screening," Electrochimica Acta, 136, 112-120(2014). 
  7. 7. Li, H., Lu, C. and Zhang, B., "A Straight Approach Towards Si@C/Graphene Nanocomposite and Its Superior Lithium Storage Performance," Electrochimica Acta, 120, 96-101(2014). 
  8. 8. Liu, Y., Wen, Z. Y., Wang, X. Y., Hirano, A., Imanishi, N. and Takeda, Y., "Electrochemical Behaviors of Si/C Composite Sythesized from F-containing Precursors," Journal of Power Sources, 189, 733-737(2009). 
  9. 9. Cetinkaya, T., Guler, M. O. and Akbulut, H., "Enhancing Electrochemical Performance of Silicon Anodes by Dispersing MWCNTs Using Planetary Ball Milling," Microelectronic Engineering, 108, 169-176(2013). 
  10. 10. Su, M., Wang, Z., Guo, H., Li, X., Huang, S. and Gan, L., "Silicon, Flake Graphite and Phenolic Resin-Pyrolyzed Carbon Based Si/C Composites as Anode Material for Lithium-ion Batteries," Advanced Power Technology, 24, 921-925(2013). 
  11. 11. Zhao, D., Feng, J., Huo, Q., Melosh, N., Fredrickson, G. H., Chmelka, B. F. and Stucky, G. D., "Triblock Copolymer Synthesis of Mesoporous Silica with Periodic 50 to 300 Angstrom Pores," American Associatin for the Advancement of Science, 279, 548(1998). 
  12. 12. Wang, Y., Zhang, F., Wang, Y., Ren, J., Li, C., Liu, X., Guo, Y., Guo, Y. and Lu, G., "Synthesis of Length Controllable Mesoporous SBA-15 Rods," Materials Chemistry and Physics, 115, 649-655(2009). 
  13. 13. Park, J. Y., Jung, M. Z. and Lee, J. D., "Electrochemical Characteristics of Silicon/Carbon Composites for Anode Material of Lithium Ion Battery," Applied Chemistry Engineering, 26, 80-85(2015). 
  14. 14. Li, H. H., Wang, J. W., Wu, X. L., Sun, H. Z., Yang, F. M., Wang, K., Zhang, L. L., Fan, C. Y. and Zhang, J.-P., "A Novel Approach to Prepare Si/C Nanocomposites with Yolk-shell Structures for Lithium Ion Batteries," The Royal Society of Chemistry, 4, 36218-36225(2014). 

문의하기 

궁금한 사항이나 기타 의견이 있으시면 남겨주세요.

Q&A 등록

원문보기

원문 PDF 다운로드

  • ScienceON :

원문 URL 링크

원문 PDF 파일 및 링크정보가 존재하지 않을 경우 KISTI DDS 시스템에서 제공하는 원문복사서비스를 사용할 수 있습니다. (원문복사서비스 안내 바로 가기)

이 논문과 연관된 기능

DOI 인용 스타일

"" 핵심어 질의응답