기상/액상 탄소 전구체를 활용하여 중공 구조가 제어된실리콘-탄소 복합체 제조 (Fabrication of Silicon-Carbon Composite with Controlled Pore Structure Utilizing Vapor/Liquid-Phase Carbon Precursors)

서지정보

· 발행기관 : 한국전지학회
· 수록지 정보 : 한국전지학회지 / 5권 / 1호 / 42 ~ 49페이지
· 저자명 : 정은하, 여규찬, 채수종, 고민성

초록

실리콘(Si)은 뛰어난 이론 용량(3,579 mAh g−1, Li15Si4), 낮은 작동 전위(<0.4 V vs Li+/Li) 및 풍부한 매장량으로 인해 차세대 음극소재의 유망한 후보로 각광받고 있다. 실리콘 성능을 개선하기 위한 수많은 전략 중실리콘을 나노 단위로 소형화 하는 전략 (SiNPs)은 리튬이온의 확산 경로를 단축하고 구조적 파괴 거동을완화하는 효과적인 접근법 중 하나로 제안되어 왔다. 그러나, SiNPs는 높은 비표면적으로 인해 초기 쿨롱효율이 낮고, 전해질과의 지속적인 부반응을 발생시켜 장기적인 사이클링 시 성능 저하를 겪는다는 단점이 있다.
본 연구에서는 SiNPs를 분무 건조 기법으로 마이크로 단위의 2차 입자로 제작한 후(M-SiNPs로 표시), 기상/액상 탄소 전구체를 활용하여 SiNPs에 두껍고 견고한 탄소 코팅층을 갖는 실리콘-탄소 복합체(M-SiNPs@C로표시)를 개발하였다. 우선, 벤젠을 탄소 전구체로 활용한 Aerosol-Assisted Chemical Vapor Deposition (AACVD)공정을 통해 M-SiNPs 표면에 두꺼운 탄소 코팅층을 성공적으로 형성하였으며, 이후 액상 형태의 피치를 도입하여 복합체 내부 공극까지 탄소를 주입시켰다. 이러한 기상/액상의 탄소 전구체를 도입한 복합체 구조는 SiNPs의비표면적을 감소시키는 동시에 전기 전도성을 향상시켰다. 또한, M-SiNPs와 전해질의 직접적인 접촉을 효과적으로 차단하고, 견고한 구조 설계와 우수한 기계적 특성으로 인해 안정적인 SEI 층을 형성하였다. 그 결과,M-SiNPs@C 복합체는 M-SiNPs와 비교하여 10.9% 높은 초기 쿨롱 효율과 50 사이클 시 11.1%의 향상된 용량유지율을 달성하며 우수한 전기화학적 안정성을 나타냈다.

영어초록

Silicon (Si) has been spotlighted as a promising candidate for next-generation anode due to its outstandinggravimetric capacity (3579 mAh g-1, Li15Si4), low operating potential (<0.4 V vs Li+/Li), and natural abundance.
Among numerous strategies to improve silicon performance, downsizing silicon nanoparticles (SiNPs) is one of themost effective strategies, which shortens the Li+diffusion path and mitigates fracture behavior. However, SiNPs sufferfrom low initial coulombic efficiency due to their high specific surface area, and continuous side reactions withthe electrolyte lead to performance degradation during long-term cycling. In this work, we fabricated micro-sized secondarysilicon particles by spray drying (denoted as M-SiNPs) and coated with thick and robust carbon layers utilizingvapor/liquid-phase carbon precursors to silicon-carbon composites (denoted as M-SiNPs@C). Utilizingbenzene as a carbon precursor, we successfully formed thick carbon layer on M-SiNPs via aerosol-assisted chemical vapor deposition (AACVD). Subsequently, a liquid-phase pitch was introduced to further fill carbon into the internalpores of the composite. The Si-C composite structure utilizing a vapor/liquid-phase carbon precursor reduced the specificsurface area of the Si nanoparticles and enhanced their electrical conductivity. In addition, it effectively preventeddirect contact between the SiNPs and the electrolyte, and the robust structural design combined with excellentmechanical properties contributed to the formation of a stable solid electrolyte interphase (SEI) layer. Consequently,the M-SiNPs@C composite exhibited excellent electrochemical stability, achieving about 10.9% higher initial coulombicefficiency and 11.1% improved capacity retention after 50cycles compared to M-SiNPs.

참고자료

· 없음