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석유계 피치를 사용한 실리콘/탄소 음극소재의 전기화학적 특성
Electrochemical Characteristics of Silicon/Carbon Anode Materials using Petroleum Pitch 원문보기

Korean chemical engineering research = 화학공학, v.56 no.4, 2018년, pp.561 - 567  

이수현 (충북대학교 화학공학과) ,  이종대 (충북대학교 화학공학과)

초록
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본 연구에서는 리튬이온전지 실리콘 음극소재의 사이클 안정성 향상을 위해 실리콘/탄소 음극소재의 전기화학적 특성을 조사하였다. Tetraethyl orthosilicate (TEOS) 로부터 스토버법 및 마그네슘 열 환원법을 통하여 다공성 실리콘을 제조하고, 제조된 다공성 실리콘과 피치질량비에 따라 실리콘/탄소 음극소재를 제조하였다. 실리콘/탄소 음극소재의 물리적 특성은 XRD와 TGA를 통해 분석하였다. 1.0 M $LiPF_6$ (EC : DEC = 1 : 1 vol%) 전해액에서 실리콘/탄소 음극소재의 충 방전 사이클, 율속, 순환전압전류, 임피던스 테스트를 통해 전기화학적 특성을 조사하였다. 제조된 실리콘/탄소 음극소재 실리콘 : 탄소 = 5 : 95 일때 453 mAh/g의 향상된 용량을 나타내었으며, 사이클 성능 또한 두 번째 사이클 이후 30 사이클까지 매우 우수한 사이클 안정성을 나타냄을 확인하였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

In this study, the electrochemical characteristics of Silicon/Carbon anode materials were analyzed to improve the cycle stability of silicon as an anode materials of lithium ion battery. Porous silicon was prepared from TEOS by the $st{\ddot{o}}ber$ method and the magnesiothermic reductio...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 본 연구에서는 리튬이차전지 음극소재인 실리콘의 안정성을 개선하기 위하여, 실리콘 전구체인 TEOS로부터 나노 실리카를 합성하고 마그네슘 열 환원법을 이용하여 다공성 실리콘을 제조하였다. 제조된 실리콘과 탄소 전구체로서 저가의 석유계 잔사유를 열처리하여 얻어진 피치를 혼합하여 tetrahydrofuran (THF) 용매 하에 다공성 실리콘/탄소 음극소재를 제조하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
실리콘의 단점은 무엇인가? 하지만 높은 이론 용량에 비해 리튬이온과 반응시 Lithiation/Delithiation의 과정에서 약 400%에 달하는 큰 부피 팽창이 발생하여 실리콘 입자 파쇄가 일어난다. 실리콘의 구조적 파괴로 인해 고체 전해질 계면(SEI)이 연속적으로 생성되어 충·방전 시 급격한 용량 감소가 발생하는 단점을 가지고 있다. 이러한 실리콘의 단점을 보완하기 위해 많은 연구가 진행되고 있다[3,4].
리튬이온전지의 특징은 무엇인가? 리튬이온전지는 높은 에너지 밀도와 작동 전압으로 인해 휴대용 전자 장치 및 전기 에너지 저장 장치에 폭 넓게 응용되고 있다. 리튬이온전지의 높은 에너지 밀도는 전극 물질이 단위 질량, 단위 체적당 더 많은 에너지를 제공할 수 있게 해주며, 이러한 특성을 바탕으로 차세대 운송 수단인 전기 자동차 분야와 전력저장 장치에 응용하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다[1].
리튬이차전지의 음극소재인 실리콘의 장점은 무엇인가? 리튬이차전지의 음극소재인 실리콘은 기존의 탄소계 소재보다 높은 4200 mAh/g의 우수한 이론용량을 가지고 있다. 실리콘은 리튬과의 전위차가 낮고 매장량이 풍부하다는 장점을 갖고 있다. 이러한 장점으로 실리콘은 탄소계 소재를 대체할 음극소재로서 각광받고 있다[2].
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참고문헌 (21)

  1. Kobayashi, N., Inden, Y. and Endo, M., "Silicon/soft-Carbon Nanohybrid Material with low Expansion for high Capacity and long Cycle Life Lithium-Ion Battery," J. Power Sources, 326, 235-241(2016). 

  2. Bao, Q., Huang, Y. H., Lan, C. K., Chen, B. H. and Duh, J. G., "Scalable Upcycling Silicon from Waste Slicing Sludge for High-performance Lithium-ion Battery Anodes," Electrochim. Acta, 173, 82-90(2015). 

  3. Yang, Y., Wang, Z., Yan, G., Guo, H., Wang, J., Li, X., Zhou, Y. and Zhou, R., "Pitch Carbon and LiF Co-Modified Si-based Anode Material for Lithium Ion Batteries," Ceram. Int., 43, 8590-8595(2017). 

  4. Lee, J. and Moon, J. H., "Spherical Graphene and Si Nanoparticle Composite Particles for High-Performance Lithium Batteries," Korean J. Chem. Eng., 34(12), 3195-3199(2017). 

  5. Kim, H., Seo, M., Park, M. H. and Cho, J., "A Critical Size of Silicon Nano-Anodes for Lithium Rechargeable Batteries," Angew. Chem. Int. Ed. 49, 2146-2149(2010). 

  6. Sohn, M., Kim, D. S., Park, H. I., Kim, J. H. and Kim, H., "Porous Silicon-Carbon Composite Materials Engineered by Simultaneous Alkaline Etching for High-Capacity Lithium Storage Anodes," Electrochim. Acta, 196, 197-205(2016). 

  7. Jung, M. Z., Park, J. Y. and Lee, J. D., "Electrochemical Characteristics of Silicon/Carbon Composites with CNT for Anode Material," Korean Chem. Eng. Res., 54(1), 16-21(2016). 

  8. Yang, Y., Wang, Z., Zhou, Y., Guo, H. and Li, X., "Synthesis of Porous Si/Graphite/Carbon Nanotubes@C Composites as a Practical High-Capacity Anode for Lithium-Ion Batteries," Mater. Lett., 199, 84-87(2017). 

  9. Ma, Y., Tang, H., Zhang, Y., Li, Z., Zhang, X. and Tang, Z., "Facile Synthesis of Si-C Nanocomposites with Yolk-Shell Structure as an Anode for Lithium-Ion Batteries," J. Alloys Compd., 704, 599-606(2017). 

  10. Park, J. B., Lee, K. H., Jeon, Y. J., Lim, S. H. and Lee, S. M., "Si/C Composite Lithium-Ion Battery Anodes Synthesized using Silicon Nanoparticles from Porous Silicon," Electrochim. Acta, 133, 73-81(2014). 

  11. Luo, Z., Fan, D., Liu, X., Mao, H., Yao, C. and Deng, Z., "High Performance Silicon Carbon Composite Anode Materials for Lithium Ion Batteries," J. Power Sources, 189, 16-21(2009). 

  12. Kim, B. H., Kim, J. H., Kim, J. G., Im, J. S., Lee, C. W. and Kim, S., "Controlling the Electrochemical Properties of an Anode Prepared from Pitch-Based Soft Carbon for Li-Ion Batteries," Journal of Industrial and Engineering Chemistry, 45, 99-104(2017). 

  13. Kim, B. H., Kim, J. H., Kim, J. G., Bae, M. J., Im, J. S., Lee, C. W. and Kim, S., "Electrochemical and Structural Properties of Lithium Battery Anode Materials by Using a Molecular Weight Controlled Pitch Derived from Petroleum Residue," Journal of Industrial and Engineering Chemistry, 41, 1-9(2016). 

  14. Stober, W., Fink, A. and Bohn, E., "Controlled Growth of Monodisperse Silica Spheres in the Micron Size Range," J. Colloid Interface Sci., 26, 62-69(1968). 

  15. Lee, H. Y. and Lee, J. D., "Electrochemical Characteristics of Porous Silicon/Carbon Composite Anode Using Spherical Nano Silica," Korean Chem. Eng. Res., 54(4), 459-464(2016). 

  16. Wang, M. S., Fan, L. Z., Huang, M., Li, J. and Qu, X., "Conversion of Diatomite to Porous Si/C Composites as Promising Anode Materials for Lithium-Ion Batteries," J. Power Sources, 219, 29-35(2012). 

  17. Jeong, S., Li, X., Zheng, J., Yan, P., Cao, R., Jung, H. J., Wang, C., Liu, J. and Zhang, J. G., "Hard Crbon Coated Nano-Si/Graphite Composite as a High Performance Anode for Li-Ion Batteries," J. Power Sources, 329, 323-329(2016). 

  18. Yao, Y., McDowell, M. T., Ryu, I., Wu, H., Liu, N., Hu, L., Nix, W. D. and Cui, Y., "Interconnected Silicon Hollow Nanospheres for Lithium-Ion Battery Anodes with Long Cycle Life," Nano Lett., 11, 2949-2954(2011). 

  19. Yoon, T., Nguyen, C. C., Seo, D. M. and Lucht, B. L., "Capacity Fading Mechanisms of Silicon Nanoparticle Negative Electrodes for Lithium Ion Batteries," J. Electrochem. Soc., 162(12), A2325-A2330(2015). 

  20. Liang, K., Yang, H., Guo, W., Du, J., Tian, L. and Wen, X., "Facile Preparation of Nanoscale Silicon as an Anode Material for Lithium ion Batteries by a Mild Temperature Metathesis Route," J. Alloys Compd., 735, 441-444(2018). 

  21. Wu, J. J. and Bennett, W. R., "Fundamental Investigation of Si Anode in Li-Ion Cells," Energytech, 1-5(2012). 

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