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이차전지 음극활물질 Si/PC/CNF/PC 복합 소재의 전기화학적 특성
Electrochemical Characteristics of Si/PC/CNF/PC Composite for Anode Material of Lithium ion Battery 원문보기

Korean chemical engineering research = 화학공학, v.56 no.6, 2018년, pp.798 - 803  

전도만 ((주)EG) ,  나병기 (충북대학교 화학공학과) ,  이영우 (충남대학교 응용화학공학과)

초록
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Si을 리튬이온전지 음극활물질로 사용하기 위해 입도를 $0.5{\mu}m$ 보다 작은 크기로 제어하였고 표면에 탄소를 약 10 nm 두께로 코팅하였다. 그 위에 탄소섬유를 50~150 wt% 양으로 성장시키고 다시 한 번 탄소코팅을 진행하였다. 이렇게 만들어진 Si 합성물질은 전기전도성을 높이기 위한 공정으로 이종 금속을 혼합하였으며 수명 특성을 개선하기 위해 흑연과 복합화하였다. 실험 변수에 따른 재료들의 물리화학적 특성을 XRD, SEM 및 TEM을 사용하여 측정하였고 코인셀을 제조하여 전기화학적 특성을 평가하였다. Si/PC (Pyrolytic Carbon)/CNF (Carbon Nano Fiber)보다 Si/PC/CNF/PC가 전체적으로 Si 함량이 줄어 방전용량은 상대적으로 낮게 나타났지만 전지평가에서 중요한 수명특성에서는 좋은 결과를 보여주었다. 0.2 C rate에서 $1512mA\;h\;g^{-1}$의 초기 방전 용량과 78%의 초기 효율을 나타내었고 10 싸이클에서 94%의 용량 보존율을 보여주었다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

In order to use Si as an anode material for lithium-ion battery, the particle size was controlled to less than $0.5{\mu}m$ and carbon was coated on the surface with the thickness less than 10 nm. The carbon fiber was grown on the Si surface with 50~150 wt%, and the carbon coating was carr...

주제어

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AI 본문요약
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문제 정의

  • 본 연구에서는 탄소복합 Si 음극활물질을 개발하여 용량 및 수명 특성을 향상시킬 수 있는 방안에 대한 실험을 수행하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
이차전지 산업의 성장 동력이라고 할 수 있는 것은? 장소에 상관없이 스마트폰으로 업무를 하고 엔터테인먼트를 즐기는 최근 트렌드에 대응하기 위해서는 에너지 저장 기술력 향상이 요구되기 때문에 소형 전지는 앞으로도 성장이 지속될 것으로 예상된다. 하지만 전방 산업이 성숙해짐에 따라 성장의 속도는 둔화되었고 화석연료의 고갈과 환경오염으로 인한 세계적인 이슈에 의해 이차전지 산업의 성장 동력은 전기자동차, ESS (Energy Storage System)에 사용되는 중대형 전지로 이동하였다. 기존 소형 전지에는 주로 인조흑연이나 천연흑연과 같은 음극활물질들이 안정적으로 사용되고 있지만 이론 용량이 372 mA h g -1 으로 낮은 단점이 있다[1].
이차전지 산업은 어떻게 성장 해왔는가? 이차전지 산업은 모바일 기기에 사용되는 소형 전지를 중심으로 성장해왔다. 장소에 상관없이 스마트폰으로 업무를 하고 엔터테인먼트를 즐기는 최근 트렌드에 대응하기 위해서는 에너지 저장 기술력 향상이 요구되기 때문에 소형 전지는 앞으로도 성장이 지속될 것으로 예상된다.
Si 합성을 위해 제작한 반응기에서 적절한 가스의 유량도 설정이 요구되어지는 이유는 무엇인가? 반응기 전체의 부피는 40 L이고 배치당 장입되는 시료의 양은 500 g으로 설정하였다. 장입되는 양이 적으면 가스와 시료의 반응이 일관적으로 진행되지 않고 시료의 양이 많으면 입자의 최소유동화속도에 따른 반응기 입구와 출구에 비산으로 인해 시료의 막힘 현상으로 반응기의 폭발에 대한 위험성이 크다. 따라서 적절한 양이 요구되어지고 그에 따른 가스의 유량도 설정이 되어야 한다[7].
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참고문헌 (19)

  1. Ko, H. S., Choi, J. E. and Lee, J. D., "Electrochemical Characteristics of Lithium Ion Battery Anode Materials of Graphite/ $SiO_2$ ," Appl. Chem. Eng., 25(6), 592-597(2014). 

  2. Yu, J., Zhan, H. H., Wang, Y. H., Zhang, Z. L., Chen, H., Li, H., Zhong, Z. Y., and Su, F. B., "Graphite Microspheres Decorated with Si Particles Derived from Waste Solid of Organosilane Industry as High Capacity Anodes for Li-ion Batteries," J. Power Sources, 228, 112-119(2013). 

  3. Zhu, X. Y., Chen, H., Wang, Y. H., Xia, L. H., Tan, Q. Q., Li, H., Zhong, Z. Y., Su, F. B. and Zhao, X. S., "Growth of Silicon/carbon Microrods on Graphite Microspheres as Improved Anodes for Lithium-ion Batteries," J. Mater. Chem., 1(14), 4483-4489 (2013). 

  4. Jang, S. M., Miyawaki, J., Tsuji, M., Mochida, I. and Yoon, S. H., "The Preparation of a Novel Si-CNF Composite as an Effective Anodic Material for Lithium-ion Batteries," Carbon, 47(15), 3383- 3391(2009). 

  5. Yinjie, C., Qingwei, Q., Richard, D. S. and Jianyu, L., "Effect of Particle Size and Surface Treatment on Si/Graphene Nanocomposite Lithium-Ion Battery Anodes," Electrochim. Acta, 251, 690-698(2017). 

  6. Yamauchi, Y., Hino, T., Ohzeki, K., Kubota, Y. and Deyama, S., "Gas Desorption Behavior of Graphite Anodes Used for Lithium Ion Secondary Batteries," Carbon, 43(6), 1334-1336(2005). 

  7. Li, S. Q., Chi, Y., Li, R. D., Yan, J. H. and Cen, K. F., "Axial Transport and Residence Time of MSW in Rotary Kil ns: Part II. Theoretical and Optimal Analyses," Powder Technol., 126(3), 228-240(2002). 

  8. Lee, H. K. and Choi, S. M., "Lifter Design for Enhanced Heat Transfer in a Rotary Kiln Reactor," J. Mech. Sci. Technol., 27(10), 3191-3197(2013). 

  9. Yoshio, M., Tsumura, T. and Dimov, N., "Silicon/graphite Composites as an Anode Material for Lithium Ion Batteries," J. Power Sources, 163(1), 215-218(2006). 

  10. Ryu, J. H., Oh, E. Y. and Oh, S. M., "Charge/discharge Capacity of Nature Graphite Anode According to the Charge/discharge Rate in Lithium Secondary Batteries," J. Korean Electrochem. Soc., 7(1), 32-37(2004). 

  11. Dimov, N., Kugino, S. and Yoshio, M., "Mixed Silicon-graphite Composites as Anode Material for Lithium Ion Batteries: Influence of Preparation Conditions on the Properties of the Material," J. Power Sources, 136(1), 108-114(2004). 

  12. Larcher, D., Mudalige, C., George, A. E., Porter, V., Gharghouri, M. and Dahn, J. R., "Si-containing Disordered Carbons Prepared by Pyrolysis of Pitch/polysilane Blends: Effect of Oxygen and Sulfur," Solid State Ionics, 122(1-4), 71-83(1999). 

  13. Hanai, K., Liu, Y., Imanishi, N., Hirano, A., Matsumura, M., Ichikawa, T. and Takeda, Y., "Electrochemical Studies of the Si-based Composites with Large Capacity and Good Cycling Stability as Anode Materials for Rechargeable Lithium Ion Batteries," J. Power Sources, 146(1-2), 156-160(2005). 

  14. Farooq, U., Choi, J. H., Pervez, S. A., Yaqub, A., Kim, D. H., Lee, Y. J., Saleem, M. and Doh, C. H., "Effect of Binder and Composition Ratio on Electrochemical Performance of Silicon/ graphite Composite Battery Electrode," Mater. Lett., 136, 254-257 (2014). 

  15. Yim, T. E., Choi, S. J., Jo, Y. N., Kim, T. H., Kim, K. J., Jeong, G. J. and Kim, Y. J., "Effect of Binder Properties on Electrochemical Performance for Silicon-graphite Anode: Method and Application of Binder Screening," Electrochim. Acta, 136, 112-120(2014). 

  16. Kim, J. H., Sohn, H. J., Kim, H. S., Jeong, G. J. and Choi, W. N., "Enhanced Cycle Performance of SiO-C Composite Anode for Lithium-ion Batteries," J. Power Sources, 170(2), 456-459(2007). 

  17. Liua, Y., Hanai, K., Yang, J., Imanishi, N., Hirano, A. and Takeda, Y., "Morphology-stable Silicon-based Composite for Li-intercalation," Solid State Ionics, 168(1-2), 61-68(2004). 

  18. Naji, A., Willmann, P. and Billaud, D., "Electrochemical Intercalation of Lithium into Graphite: Influence of the Solvent Composition and of the Nature of the Lithium Salt," Carbon, 36(9), 1347-1352(1998). 

  19. Ko, M. S., Chae, S. J., Ma, J. Y., Kim, N. H., Lee, H. W., Cui, Y. and Cho, J. P., "Scalable Synthesis of Silicon-nanolayer-embedded Graphite for High-energy Lithium-ion Batteries," Nature Energy, 1, 16113(2016). 

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