[논문]리튬이온 이차전지에서 Si/CNT/C 음극 복합소재의 전기화학적 성능에 대한 바인더 및 전해액의 효과

최나현; 김은비; 염태호; 이종대

doi:10.9713/kcer.2022.60.3.327

리튬이온 이차전지에서 Si/CNT/C 음극 복합소재의 전기화학적 성능에 대한 바인더 및 전해액의 효과
Effect of Binder and Electrolyte on Electrochemical Performance of Si/CNT/C Anode Composite in Lithium-ion Battery 원문보기

Korean chemical engineering research = 화학공학, v.60 no.3, 2022년, pp.327 - 333

최나현 (충북대학교 화학공학과) , 김은비 (충북대학교 화학공학과) , 염태호 (청주대학교 에너지광기술융합학부) , 이종대 (충북대학교 화학공학과)

초록
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본 연구에서는 고용량 음극 소재로 활용되는 실리콘의 부피팽창을 개선하기 위해 Si/CNT/C 음극 복합소재를 제조하였다. Si/CNT는 표면 개질에 의한 양전하 실리콘과 음전하 CNT의 정전기적 인력에 의해서 제조되었고, 수열합성에 의해서 구형의 Si/CNT/C 복합소재를 합성하였다. 전극 제조는 poly(vinylidene fluoride) (PVDF), polyacrylic acid (PAA) 및 styrene butadiene rubber (SBR) 바인더를 사용하였고, 1.0 M LiPF₆ (EC:DMC:EMC = 1:1:1 vol%) 전해액 및 fluoroethylene carbonate (FEC)가 첨가된 전해액을 사용하여 전지를 제조하였다. Si/CNT/C 음극 복합소재는 SEM, EDS, XRD 및 TGA를 사용하여 물리적 특성을 분석하였으며, 사이클, 율속, dQ/dV 및 임피던스 테스트를 통해 리튬이온 배터리의 성능을 조사하였다. 활물질로 Si/CNT/C 복합소재, 바인더로 PAA/SBR, 전해액으로 FEC 10 wt%가 첨가된 EC:DMC:EMC 용매를 사용했을 경우, 50 사이클 후 914 mAh/g의 높은 가역 용량과 83%의 용량 유지율 및 2 C/0.1 C에서 70%의 속도 특성을 보여주었다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, silicon/carbon nanotube/carbon (Si/CNT/C) composites for anode were prepared to improve the volume expansion of silicon used as a high-capacity anode material. Si/CNT were prepared by electrostatic attraction of the positively charged Si and negatively charged CNT and then hydrothermal synthesis was performed to obtain the spherical Si/CNT/C composites. Poly(vinylidene fluoride) (PVDF), polyacrylic acid (PAA), and styrene butadiene rubber (SBR) were used as binders for electrode preparation, and coin cell was assembled using 1.0 M LiPF6 (EC:DMC:EMC = 1:1:1 vol%) electrolyte and fluoroethylene carbonate (FEC) additive. The physical properties of Si/CNT/C anode materials were analyzed using SEM, EDS, XRD and TGA, and the electrochemical performances of lithium-ion batteries were investigated by charge-discharge cycle, rate performance, dQ/dV and electrochemical impedance spectroscopy tests. Also, it was confirmed that both capacity and rate performance were significantly improved using the PAA/SBR binder and 10 wt% FEC-added electrolyte. It is found that Si/CNT/C have the reversible capacity of 914 mAh/g, the capacity retention ratio of 83% during 50 cycles and the rate performance of 70% in 2 C/0.1 C.

주제어

표/그림 (11)

그림 Fig. 1. Schematic diagram of the synthesis process of Si/CNT/C composites.
그림 Fig. 2. SEM images of (a) Si/CNT, (b) Carbon spheres and (c) Si/CNT/C.
그림 Fig. 3. EDS mapping images of Si/CNT/C composites.
그림 Fig. 4. XRD patterns of Si/CNT/C composites.
그림 Fig. 5. TGA curves of Si/CNT/C composites.
그림 Fig. 6. Differential capacity plots of (a) Si/CNT/C and (b) Si/C microspheres.
그림 Fig. 7. Cycle performances of the anode materials.
그림 Fig. 8. Cycle performances of the Si/CNT/C composites according to binders.
그림 Fig. 9. Cycle performances of the Si/CNT/C composites with and without FEC.
그림 Fig. 10. Rate performances of the Si/CNT/C composites with and without FEC.
그림 Fig. 11. Nyquist plots of the Si/CNT/C composites with and without FEC.

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