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리튬이온배터리의 고성능 음극 소재 : 전분폐기물에서 추출한 마이크로 탄소 구체 내에 튀긴 실리콘 나노 입자

Title
리튬이온배터리의 고성능 음극 소재 : 전분폐기물에서 추출한 마이크로 탄소 구체 내에 튀긴 실리콘 나노 입자
Other Titles
Frying Silicon Nanoparticles in Micro Carbon Ball Derived from Biowaste-Corn Starch as High- Performance Anode for Li-ion Batteries
Author
권현정
Alternative Author(s)
Kwon. Hyun Jung
Advisor(s)
선양국
Issue Date
2019-02
Publisher
한양대학교
Degree
Master
Abstract
충전식 리튬 이온 배터리 (LIB)는 차세대 에너지 저장 산업 시장 확대를 위한 핵심 기술이다. 그러나 최근 내부 단락 및 폭발 등으로 인해 LIB의 안전 문제가 대두되고 있으며, 차세대 에너지 저장 장치의 요구 조건을 충족시키기 위해서는 용량, 에너지 및 전력 밀도를 향상시켜야 한다. 그러나 양극 물질의 이론적 용량을 향상시키는 것은 이미 수년 동안 개발되었으며, 한계에 근접하고 있으므로, 저비용 및 고용량의 장점을 갖는 음극 재료가 개발되어야 한다. 이에 상용화에 사용된 흑연은 372 mAh g-1의 낮은 용량을 가지므로 이를 대체할 음극재를 개발할 필요가 있다. 이와 관련하여 실리콘은 흑연보다 상대적으로 낮은 작동 전위 (~ 0.4V vs Li / Li +) 및 10 배 높은 용량 (4200mAh g-1)을 갖는다는 장점으로 가장 유망한 음극재이다. 하지만 리튬 이온의 삽입(충전)시 최대 400%에 이르는 부피팽창으로 용량이 유지되지 못하고, 불안정한 SEI 층의 형성과 낮은 전기전도도의 문제로 이에 대한 개선이 필수적이다. 본 논문에서는, 유기 폐기물과 같은 바이오 매스에서 추출한 탄소 기반 물질인 전분 폐기물을 탄소 전구체로 사용하였으며, 마이크로 에멀전 방법을 통해, 어떠한 부가적인 처리 없이 실리콘을 탄소에 embedding 시키는 간단한 공정으로 연구를 진행하였다. 그 결과, 개발된 Si-C composite은 1800 mAh g-1의 높은 용량을 나타내었으며, 500 사이클 후에도 80 %의 안정한 용량 유지율, 높은 전류 속도에서 우수한 속도 능력을 입증하였다. 또한, 개발된 Si-C composite 음극과 상용화 되고 있는 LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2 Li Ni0.80Co0.16Al0.04O2 양극을 사용한 Full cell은 높은 전기 전도도 및 1.1 g cm-3 의 높은 탭 밀도를 가지기 때문에, 높은 에너지 밀도를 보인다. 이러한 결과들은 개발된 Si-C composite가 차세대 에너지 저장 분야에서 유망한 후보임을 증명한다.
Silicon (Si) has been demonstrated great potential as an anode material to replace the commonly used graphite due to its exceptional capacity and reasonable working voltage. However, the large volume change during lithiation-delithiation process has caused severe detrimental consequences such as poor cycling stability and rate capability
this hampers the practical use of Si anode in commercial lithium-ion batteries. Herein, we proposed novel concept of Si-carbon hybrid composite architecture, which is constructed by frying silicon nanoparticles with a micron-sized carbon ball (hereafter denoted as FS-MCB). Under C3H6 heat treatment, FS-MCB was capsuled by ultra-thin graphitic carbon coating layer, which greatly improve the electronic conductivity. The crystalline Si nanoparticles were uniformly embedded into carbon ball derived from biowaste-corn starch and its micron-size morphological feature produces high tap density of 1.1 g cm-3. Hence, FS-MCB demonstrates a high specific capacity of 1,800 mAh g-1 (1,980 mAh cm-3) (~1.5 mAh cm-2) and excellent cycling stability with capacity retention of 80% over 500 cycles. In addition, power capability of FS-MCB was also excellent
for example, a capacity of 1100 mAh g-1 was achieved even at high current density of 4,000 mA g-1 (10 C). Li-ion full cells assembled by coupling of the FS-MCB anode with commercial Li[Ni0.6Co0.2Mn0.2]O2 and Li[Ni0.8Co0.15Al0.05]O2 cathodes showed practical acceptability with high energy density, outstanding cycle life and power capability.
URI
http://dcollection.hanyang.ac.kr/common/orgView/000000109090http://repository.hanyang.ac.kr/handle/20.500.11754/99436
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