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논문 상세정보

석유계 피치를 사용한 실리콘/탄소 음극소재의 전기화학적 특성

Electrochemical Characteristics of Silicon/Carbon Anode Materials using Petroleum Pitch

초록

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 피치의 질량비에 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

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 reduction method. Silicon/Carbon anode materials were synthesized by varying the mass ratio between porous silicon and pitch. Physical properties of the prepared Silicon/Carbon anode materials were analyzed by XRD and TGA. Also the electrochemical performances of Silicon/Carbon anode materials were investigated by constant current charge/discharge, rate performance, cyclic voltammetry and electrochemical impedance tests in the electrolyte of $LiPF_6$ dissolved in organic solvents (EC : DEC = 1 : 1 vol%). The Silicon/Carbon anode composite (silicon : carbon = 5 : 95 in weight) has better capacity (453 mAh/g) than those of other composition cells. The cycle performance has an excellent capacity retention from 2nd cycle to 30th cycle.

본문요약 

문제 정의
  • 본 연구에서는 리튬이차전지 음극소재인 실리콘의 안정성을 개선하기 위하여, 실리콘 전구체인 TEOS로부터 나노 실리카를 합성하고 마그네슘 열 환원법을 이용하여 다공성 실리콘을 제조하였다.

    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 

키워드에 따른 질의응답 제공
핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
실리콘
실리콘의 단점은 무엇인가?
실리콘의 구조적 파괴로 인해 고체 전해질 계면(SEI)이 연속적으로 생성되어 충·방전 시 급격한 용량 감소가 발생하는 단점을 가지고 있다

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].

리튬이온전지
리튬이온전지의 특징은 무엇인가?
높은 에너지 밀도와 작동 전압으로 인해 휴대용 전자 장치 및 전기 에너지 저장 장치에 폭 넓게 응용

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 실리콘
리튬이차전지의 음극소재인 실리콘의 장점은 무엇인가?
실리콘은 리튬과의 전위차가 낮고 매장량이 풍부하다는 장점을 갖고 있다

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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저자의 다른 논문

참고문헌 (21)

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  20. 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. 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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