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논문 상세정보

Silicon/Carbon 음극소재 제조 및 바인더와 첨가제에 따른 전기화학적 특성

Synthesis and Electrochemical Characteristics of Silicon/Carbon Anode Composite with Binders and Additives

초록

본 연구에서는 리튬이차전지 음극활물질인 Silicon/Carbon (Si/C) 복합소재를 제조하여 바인더 및 첨가제가 전지성능에 미치는 영향을 조사하였다. Si/C 합성물은 마그네슘의 열 환원 반응을 통해 SBA-15 (Santa Barbara Amorphous material No. 15)를 제조한 후 페놀 수지의 탄화 과정을 통해 합성하였다. Si/C 음극소재는 충 방전, 순환전압전류, 임피던스 테스트를 통해 전기화학적 성능을 분석하였다. PAA 바인더를 이용한 Si/C 전지의 용량은 1,899 mAh/g으로 다른 바인더를 사용한 합성물보다 우수하였으며, 40 사이클 동안 92%에 달하는 높은 용량 보존율을 나타내었다. 또한, VC 첨가제를 사용한 전지의 경우 3,049 mAh/g의 높은 초기용량을 나타내며, 실리콘 표면에 보호막을 형성해 초기 비가역용량을 감소시켜줌을 알 수 있었다.

Abstract

Silicon/Carbon (Si/C) composite as anode materials for lithium-ion batteries was synthesized to find the effect of binders and an electrolyte additive. Si/C composites were prepared by two step method, including magnesiothermic reduction of SBA-15 (Santa Barbara Amorphous material No. 15) and carbonization of phenol resin. The electrochemical performances of Si/C composites were investigated by charge/discharge, cyclic voltammetry and impedance tests. The anode electrode of Si/C composite with PAA binder appeared better capacity (1,899 mAh/g) and the capacity retention ratio (92%) than that of other composition coin cells during 40 cycles. Then, Vinylene carbonate (VC) was tested as an electrolyte additive. The influence of this additive on the behavior of Si/C anodes was very positive (3,049 mAh/g), since the VC additive is formed passivation films on Si/C surfaces and suppresses irreversible changes.

본문요약 

문제 정의
  • 본 연구에서는 실리콘의 용량 및 사이클 성능을 향상시켜주는 첨가제 및 바인더를 조사하기 위하여 SBA-15로부터 메조기공을 갖는 실리콘을 합성하고 전도성이 뛰어난 탄소를 코팅해 메조포러스 Si/C 합성물을 제조하였다.

    본 연구에서는 실리콘의 용량 및 사이클 성능을 향상시켜주는 첨가제 및 바인더를 조사하기 위하여 SBA-15로부터 메조기공을 갖는 실리콘을 합성하고 전도성이 뛰어난 탄소를 코팅해 메조포러스 Si/C 합성물을 제조하였다. 바인더에 따른 특성을 알아보기 위하여 유기계 바인더인 PVdF와 수계바인더인 CMC와 PAA를 사용하였고, 수계바인더를 사용하였을 때 가역용량이 향상되었으며, PAA 바인더를 이용해 제조한 결과 충·방전 용량 1,899 mAh/g과 두 번째 사이클부터 92%에 달하는 높은 사이클 성능을 나타내었다.

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질의응답 

키워드에 따른 질의응답 제공
핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
실리콘
실리콘의 장점은?
리튬과의 전위차가 낮고 친환경적 이며 풍부한 매장량을 가지고 있다는 장점

리튬이차전지의 음극소재로서 가장 높은 이론적 용량(4,200 mAh/g)을 지니고 있는 실리콘은 리튬과의 전위차가 낮고 친환경적 이며 풍부한 매장량을 가지고 있다는 장점이 있다. 하지만 실리콘은 리튬이차전지 내에서 리튬이온이 삽입되고 탈리되는 과정에서 부피가 급격하게 팽창하여 실리콘 입자의 분해 및 이에 따른 리튬이 온의 저장 공간이 손실되어 급격한 용량 감소가 발생하는 단점이 있다[2].

리튬이차전지
리튬이차전지의 응용분야는 무엇인가?
노트북, 휴대폰 등 각종 휴대용기기 뿐만 아니라HEV (Hybrid Electric Vehicle), PHEV (Plug in Hybrid Electric Vehicle)그리고 EV (Electric Vehicle)

리튬이차전지는 3-4 V의 전지 전압 및 상대적으로 높은 에너지 밀도 그리고 매우 넓은 사용 온도 범위를 갖고 있어 전 세계적으로 연구가 활발히 진행되고 있다. 이러한 장점으로 노트북, 휴대폰 등 각종 휴대용기기 뿐만 아니라HEV (Hybrid Electric Vehicle), PHEV (Plug in Hybrid Electric Vehicle)그리고 EV (Electric Vehicle)까지 다양한 응용분야로 그 적용범위가 점차 확대되고 있으며 에너지 저장장치로서 중요성을 더해가고 있다[1].

실리콘의 부피팽창을 억제
실리콘의 부피팽창을 억제하는 방법중 탄소와 관련된 것은 무엇인가?
실리콘 표면에 비활성을 띄며 전도성이 우수한 탄소층 코팅[9], 우수한 전도성과 탄성력을 가지고 있는 Carbon Nanofiber (CNF)[10], Carbon Nanotube (CNT)[11] 첨가

또한 Tian 등[7]과 Wang 등[8]에 의해 상대적으로 부피팽창이 작은 나노 실리콘 합성 연구 등이 보고되었다. 실리콘의 부피팽창을 억제하는 다른 방법으로는 실리콘 표면에 비활성을 띄며 전도성이 우수한 탄소층 코팅[9], 우수한 전도성과 탄성력을 가지고 있는 Carbon Nanofiber (CNF)[10], Carbon Nanotube (CNT)[11] 첨가 연구가 보고되었다. 또한, 최근에는 바인더가 리튬화 반응에 있어 많은 영향을 주어 실리콘전극의 용량 및 사이클 안정성 향상에 도움이 된다고 연구되고 있다[12].

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저자의 다른 논문

참고문헌 (21)

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  3. 3. Rahmat, N., Abdullah, A. Z. and Mohamed, A. R., "A Review: Mesoporous Santa Barbara Amorphous-15, Types, Synthesis and Its Applications Towards Biorefinery Production," Am. J. Appl. Sci., 7, 1579-1586(2010). 
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  20. 20. Wu, X. Wang, Z. Chen, L. and Huang, X., "Ag-enhanced SEI Formation on Si Particles for Lithium Batteries," Electrochem. Commun., 5, 935-939(2003). 
  21. 21. Aurbach, D., Gamolsky, K., Markovsky, B., Gofer, Y., Schmidt, M. and Heider, U., "On the Use of Vinylene Carbonate (VC) as an Additive to Electrolyte Solutions for Li-ion Batteries," Electrochim. Acta, 47, 1423-1439(2002). 

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