고용량 고안정성 리튬 이차전지 음극소재를 위한 이중 중공을 갖는 실리콘/탄소 복합체의 설계 (Silicon/Carbon Composites Having Bimodal Mesopores for High Capacity and Stable Li-Ion Battery Anodes)

서지정보

· 발행기관 : 한국청정기술학회
· 수록지 정보 : Clean Technology / 27권 / 3호 / 223 ~ 231페이지
· 저자명 : 박홍열, 이정규

초록

실리콘은 상용 흑연(Graphite, Gr) 음극재 대비 약 10배 정도 높은 이론용량을 가지나 전기전도도가 낮고 충･방전 시 큰 부피변화로 수명이 짧은 문제가 있다. 실리콘의 문제점 해결 방안으로 전도성 탄소와 복합체 형성과정에서 실리카 나노입자 템플레이트를 이용해 복합체 내부에 이중 중공을 갖는 실리콘 나노입자/중공탄소(SiNP/HC) 소재를 제조하였다. 비교를 위해 중공을 갖지 않는 SiNP/C 복합체를 제조하여 SiNP/HC 복합체와의 물리･화학적 특성과 음극소재로서의 전기화학적 특성을X-ray 회절기, X-선 광전자 분광기, 비표면적과 기공분포 분석을 위한 질소 흡/탈착 실험, 주사형 전자현미경 및 투과형 전자현미경으로 비교･분석하였다. SiNP/C 복합체 대비 SiNP/HC는 사이클 후에도 전극의 큰 부피변화 없이 월등히 우수한 수명특성과 효율을 보였다. 흑연과 혼합한 하이브리드형 SiNP/HC@Gr 복합체는 SiNP/HC와 비교해 낮은 용량에서 더욱 개선된수명 특성과 효율을 보였다. 따라서 복합체 내부에 실리콘의 부피팽창을 수용하는 중공을 갖는 실리콘/탄소 복합체를 설계하는 것이 수명특성 확보에 유효함을 확인하였다. 복합체 내부에 많은 중공의 존재로 비표면적이 커서 과도한 SEI층 형성에 따른 낮은 초기 효율의 문제점이 있으므로 이에 대한 보완 연구가 필요할 것으로 사료된다.

영어초록

In order to address many issues associated with large volume changes of silicon, which has very low electricalconductivity but offers about 10 times higher theoretical capacity than graphite (Gr), a silicon nanoparticles/hollow carbon(SiNP/HC) composite having bimodal-mesopores was prepared using silica nanoparticles as a template. A control SiNP/Ccomposite without a hollow structure was also prepared for comparison. The physico-chemical and electrochemical properties ofSiNP/HC were analyzed by X-ray diffractometry, X-ray photoelectron spectroscopy, nitrogen adsorption/desorptionmeasurements for surface area and pore size distribution, scanning electron microscopy, transmission electron microscopy,galvanostatic cycling, and cyclic voltammetry tests to compare them with those of the SiNP/C composite. The SiNP/HCcomposite showed significantly better cycle life and efficiency than the SiNP/C, with minimal increase in electrode thicknessafter long cycles. A hybrid composite, SiNP/HC@Gr, prepared by physical mixing of the SiNP/HC and Gr at a 50:50 weightratio, exhibited even better cycle life and efficiency than the SiNP/HC at low capacity. Thus, silicon/carbon composites designedto have hollow spaces capable of accommodating volume expansion were found to be highly effective for long cycle life ofsilicon-based composites. However, further study is required to improve the low initial coulombic efficiency of SiNP/HC andSiNP/HC@Gr, which is possibly because of their high surface area causing excessive electrolyte decomposition for the formation of solid-electrolyte-interface layers.

참고자료

· 없음