[논문]에틸벤젠을 이용한 실리콘 산화물 음극재의 효과적인 카본 코팅 전략

이상렬; 박성수; 채수종

doi:10.5695/jsse.2023.56.1.62

에틸벤젠을 이용한 실리콘 산화물 음극재의 효과적인 카본 코팅 전략
Effective problem mitigation strategy of lithium secondary battery silicon anode utilized liquid precursor 원문보기

한국표면공학회지 = Journal of the Korean institute of surface engineering, v.56 no.1, 2023년, pp.62 - 68

이상렬 (부경대학교 공업화학전공) , 박성수 (부경대학교 공업화학전공) , 채수종 (부경대학교 공업화학전공)

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Silicon (Si) is considered as a promising substitute for the conventional graphite due to its high theoretical specific capacity (3579 mAh/g, Li15Si4) and proper working voltage (~0.3V vs Li+/Li). However, the large volume change of Si during (de)lithiation brings about severe degradation of battery performances, rendering it difficult to be applied in the practical battery directly. As a one feasible candidate of industrial Si anode, silicon monoxide (SiOx) demonstrates great electrochemical stability with its specialized strategy, downsized Si nanocrystallites surrounded by Li+ inactive buffer phase (Li2O and Li4SiO4). Nevertheless, SiOx inherently has the initial irreversible capacity and poor electrical conductivity. To overcome those issues, conformal carbon coating has been performed on SiOx utilizing ethylbenzene as the carbon precursor of chemical vapor deposition (CVD). Through various characterizations, it is confirmed that the carbon is homogeneously coated on the surface of SiOx. Accordingly, the carbon-coated SiOx from CVD using ethylbenzene demonstrates 73% of the first cycle efficiency and great cycle life (88.1% capacity retention at 50th cycle). This work provides a promising synthetic route of the uniform and scalable carbon coating on Si anode for high-energy density.

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그림 Fig.1. Schematic of carbon coating process for SiOx with Liquid Precursor.
그림 Fig. 2. SEM images and EDS elemental mapping images of C and Si, (a) SiOx and (b) SiOx-C. (c) Elemental analysis (EA) results, (d) Particles size analysis (PSA) results, (e) Brunauer-Emmett-Teller (BET) analysis results and (f) Four point probe measurements results of SiOx and SiOx-C.
그림 Fig. 4. SEM images of (a-b) SiOx electrode and EDS elemental mapping images of C and Si, (a) before formation and (b) after formation. (c-d) SiOx-C electrode, (c) before formation and (d) after formation.
그림 Fig. 3. (a) First charge and discharge profiles of SiOx and SiOx-C. Electrochemical impedance spectroscopy (EIS) analysis results of SiOx and SiOx-C (b) before the first cycle, (c) after the first cycle. Rate capabilities of (d) SiOx and (e) SiOx-C. (f) Cycle retention of SiOx and SiOx-C for 50 cycles.

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