[논문]탄소나노튜브 도전재 적용을 통한 리튬이온 이차전지용 고용량 SiOx 음극의 사이클 성능개선

전향선; 류지헌

doi:10.5229/jkes.2023.26.3.35

탄소나노튜브 도전재 적용을 통한 리튬이온 이차전지용 고용량 SiOx 음극의 사이클 성능개선
Improved Cycle Performance of High-Capacity SiOx Negative Electrodes with Carbon Nanotube Conducting Agents for Lithium-Ion Batteries 원문보기

전기화학회지 = Journal of the Korean Electrochemical Society, v.26 no.3, 2023년, pp.35 - 41

전향선 (한국공학대학교 생명화학공학과) , 류지헌 (한국공학대학교 융합기술에너지대학원)

초록
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리튬이온 이차전지용 음극 활물질인 탄소가 코팅된 실리콘 일산화물(carbon-coated silicon monoxide, c-SiO_x)은 용량이 높지만, 충방전 중의 부피변화로 인해 사이클 수명이 제한된다. 특히, 활물질의 큰 부피 변화는 전극의 구조를 변형시켜 전자의 전달경로가 쉽게 손상될 수 있다. 전극에서 전자전달 경로를 형성하는 도전재인 카본블랙 중 일부를 선형의 형태를 지니는 탄소나노튜브(carbon nanotube, CNT)로 대체하여 활물질의 부피변화로 인한 전극의 손상을 완화하여 성능을 개선하고자 한다. 전극 내의 전체 도전재의 함량을 10 중량%로 고정하고, 탄소나노튜브의 상대적인 함량을 0, 2, 5, 10, 25 중량%로 카본블랙의 일부를 대체하여 전극을 제조하고 전기화학적 성능을 평가하였다. 전극 내의 탄소나노튜브의 함량이 증가함에 따라 사이클 수명과 속도특성이 모두 향상된다. 부피 변화가 큰 c-SiO_x 음극에 소량의 CNT를 도전재로 적용하는 것으로 전지의 전기화학적 성능을 크게 향상시킬 수 있다. 또한 CNT를 잘 분산시키게 되면 더 적은 양을 사용하면서도 동등한 성능을 구현할 수 있다.

Abstract ▼ AI-Helper

The carbon-coated silicon monoxide (c-SiOx), which is a negative electrode active material for lithium-ion batteries (LIBs), has a limited cycle performance due to severe volume changes during cycles, despite its high specific capacity. In particular, the significant volume change of the active material can deform the electrode structure and easily damage the electron transfer pathway. To improve performance and mitigate electrode damage caused by volume changes, we replaced parts of the carbon black conducting agent with carbon nanotubes (CNTs) having a linear shape. The content of the entire conductive material in the electrode was fixed at 10% by mass, and the relative content of CNTs ranged from 0% to 25% by mass to prepare electrodes and evaluate electrochemical performance. As the CNT content in the electrode increased, both cycle life and rate capability improved. Even a small amount of CNT can significantly improve the electrochemical performance of a c-SiOx negative electrode with large volume changes. Furthermore, dispersing CNTs effectively can lead to achieving the equivalent performance with a reduced quantity of CNTs.

주제어

표/그림 (7)

그림 Fig. 1. SEM images of (a) carbon-coated silicon monoxide powders, (b) carbon black (Super-P), and (c) carbon nanotube.
그림 Fig. 2. SEM images (50,000 times) of c-SiO_x electrode with carbon nanotube replacing parts of carbon black; (a) c-SiO_x electrode with carbon black without CNT, (b) 2% CNT, (c) 5% CNT, (d) 10% CNT, and (e) 25% CNT.
그림 Fig. 3. Composite volume resistivity of c-SiO_x electrode with carbon nanotube replacing parts of carbon black.
그림 Fig. 5. Polarization curve of Li/c-SiO_x half cells according to the amount of carbon nanotube obtained by GITT.
그림 Fig. 4. (a) The galvanostatic charge/discharge voltage profiles at 3^rd cycle and (b) cycle performances of Li/c-SiO_x half cells according to the amount of carbon nanotube.
그림 Fig. 6. Rate capabilities of Li/c-SiO_x half cells according to the amount of carbon nanotube.
그림 Fig. 7. Cycle performances of Li/c-SiO_x half cells according to the mixing sequence of carbon nanotube.

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