리튬이온 이차전지 음극 소재용 Ag 무전해 도금된 Si-C 전극의 전기화학적 특성

Abstract

리튬이온 이차전지 anode재료인 Si의 초기 부피팽창으로 인한 전극 용량감소를 줄이기 위해 graphite와의 Si-C composite가 mechanical milling공정으로 제조되었다. ball milling 시간을 변화시키면서 제조된 Si-C composite의 상변화와 morphology는 XRD와 SEM으로 분석되었다. Si-C composite의 전극 수명이 충/방전실험과 cyclic 특성 분석에 의해 평가되었다. Si-C composite의 cycle당 용량저하(fade in capacity)와 초기 용량 감소율(irreversible loss)을 고려한 최적의 ball milling시간은 4.5h이었다. Si-C composite에서 초기 비가역 용량 손실이 여전히 존재하였으며, Si의 pulverization이 그 원인이었다. Pulverization으로 인한 전극특성의 저하를 줄이기 위하여 Si-C composite 입자 표면에 Ag가 무전해 도금되었다. Si-C composite 입자 표면에 Ag가 약 1㎛의 구형입자로 비교적 균일하게 deposition되었다. Ag/Si-C composite의 리튬 이온의 첫 삽입과정이 0.01~3V 범위에서 XRD로 분석되었다. Si가 리튬이온과 반응한 반면 탄소는 리튬이온과 반응하지 않았으며 Ag는 소모가 약간 있는 것으로 나타났다. 충/방전 실험 결과 30thcycle에서 무전해 도금되지 않은 Si-C composite은 430mAh/g 용량을 나타낸데 반해 Ag 무전해 도금된 Si-C composite은 590mAh/g의 향상된 용량특성을 나타내었다.; Si-C composite was synthesizes by mechanical milling in order to buffer the volume variation. XRD and SEM analysis were performed to investigate the phase change and morphology of Si-C composite. Considering the fade in capacity and irreversible loss, 4.5h was the most optimum time condition for the milling process. However because of Si pulverization, Si-C composite fades overall in capacity. Therefore Ag is coated on the Si-C particles to prevent the Si from pulverization. Through the SEM images, Ag particles were coated Si-C particles below 1 ㎛. XRD analysis was performed to inspect the phase change for the 1st Li-ion insertion between 0.01V and 3V. During the 1st Li-ion insertion, the carbon peak was not changed while the intensity of Si peak decreased. It indicates that Si reacted only with Li ion in the electrode. After 30th cycles, Si-C composite decreased to about 400mAh/g, but Ag/Si-C to about 590mAh/g, so it demonstrates the cycle performance was significantly improved. It was because Ag particles on the Si-C particle prevented Si pulverization at the early stage of charge and discharge processes. Furthermore, Ag enhances the electric connection between active particles leading to the better electrochemical performance of electrode.