단일 분무 열분해 공정을 이용한 코어@쉘 구조의 Si@C 나노 분말 합성 및 리튬 이온 전지 음극소재 적용 (Synthesis of Core@Shell-Structured Silicon@Carbon Nanoparticles by One-Pot Spray Pyrolysis Process and Application as Anode Materials for Lithium-Ion Batteries)

서지정보

· 발행기관 : 한국청정기술학회
· 수록지 정보 : Clean Technology / 30권 / 3호 / 220 ~ 227페이지
· 저자명 : 정승호, 이재섭, 조중상

초록

고용량 및 고에너지 밀도의 리튬 이온 전지 수요가 증가함에 따라 기존 흑연 음극을 대체할 고용량 실리콘 음극이 주목 받고 있다. 하지만 실리콘은 충 방전 동안 ~360%의 큰 부피 팽창 및 낮은 이온 전도도와 전기 전도도로 인해 저조한 수명 및 율속 특성을 나타낸다. 해당 문제를 해결하기 위해 본 연구에서는 Pluronic-F127을 활용한 단일 분무 열분해 공정을 통해 코어@쉘 구조의 실리콘@탄소 나노 분말(Si@C NPs)을 합성한다. 분무 용액 내 Pluronic-F127은 실리콘 나 노 입자/dextrin 응집체 형성 억제와 동시에 열분해됨으로써 나노 분말 합성에 기여한다. 또한 dextrin으로부터 유래된 비 정질 탄소는 실리콘 입자 표면에 코팅되어 소재 내 전자 이동 경로 역할과 실리콘 나노 입자간 전기적 접촉을 강화한다. 그 결과, Si@C NPs는 1.0 A g-1에서 50 사이클 후 1,912 mA h g-1의 방전 용량 및 높은 율속 특성(3.0 A g-1에서 방전 용량 1,493 mA h g-1)을 나타내었다 따라서 본 연구에서 제시한 분무 열분해 공정 기반 실리콘@탄소 복합 나노 분말 합성 전략은 실리콘 음극 소재 성능 향상에 새로운 방향을 제시할 수 있을 것으로 기대한다.

영어초록

As the demand for lithium-ion batteries with high capacity and high energy density has rapidly increased, silicon anodes (theoretical capacity = 3,570 mA h g-1) have garnered attention as potential replacements for conventional graphite anodes (theoretical 1 capacity = 372 mA h g-1). However, silicon anodes suffer from severe volume expansion (~360%) during lithiation, low ionic conductivity (10-14 ~ 10-13 cm2 S-1 ), and low electrical conductivity (10-2 S cm-1), resulting in poor cycling and rate performance. To address these issues, this study synthesized core@shell-structured silicon@carbon nanoparticles (Si@C NPs) via a one-pot spray pyrolysis process using Pluronic-F127. Pluronic-F127 in the spray solution contributes to the synthesis of nanoparticles by preventing the formation of silicon nanoparticle/dextrin agglomerates and by undergoing pyrolysis simultaneously. Additionally, dextrin derived amorphous carbon was coated on the surface of the silicon nanoparticles to act as an electron transport pathway within the anodes and enhance the electrical contact between the silicon nanoparticles. The Si@C NPs exhibited a discharge capacity of 1,912 mA h g-1 after 50 cycles at 1.0 A g-1 and high rate capabilities (discharge capacity of 1,493 mA h g-1 at 3.0 A g -1). The silicon@carbon composite nanoparticle synthesis strategy based on the spray pyrolysis process presented in this study is expected to offer a new direction for improving the performance of silicon anode materials.

참고자료

· 없음