• 청정기술
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• 제21권4호
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• pp.265-270
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• 2015

리튬이차전지에서 전지의 용량을 증가시키기 위하여 음극의 전기화학적 용량을 증가시키는 것이 중요하다. 음극활물질 중에서 SnO₂와 Li₄Ti₅O₁₂는 흑연을 대체하기 위한 물질로 많은 연구가 진행되고 있다. 본 연구에서는 SnO₂/Li₄Ti₅O₁₂ 혼합물을 고상법으로 합성하였으며, SnO₂를 Li₄Ti₅O₁₂에 혼합하여 전기화학적인 용량을 증가시키는 실험을 수행하였다. SnO₂가 혼합될 경우에 Li₄Ti₅O₁₂의 용량보다 큰 전기화학적 용량을 갖는 물질을 합성할 수 있었다. 하지만 SnO₂의 특성으로 인하여 사이클이 진행됨에 따라서 용량이 감소하는 현상이 관찰되었다.

• 청정기술
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• 제22권4호
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• pp.308-315
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• 2016

수명특성이 우수한 실리콘 음극재를 제조하기 위해 졸겔법을 통해 $SiO_x/ZnO$ 복합체를 제조하였고, 제조된 복합체는 PVC를 탄소 전구체로 하여 탄소를 피복하였다. 복합체에 포함된 ZnO를 HCl로 제거하여 내부에 빈 공간을 만들어 충 방전에 따른 실리콘의 부피변화를 완화할 수 있게 하였다. 합성된 복합체의 결정구조와 형상을 파악하기 위해 XRD, SEM, TEM 분석을 실시하였다. 탄소 피복된 복합체에 포함된 탄소함량을 TGA를 통해 알아보았으며, 복합체의 기공구조를 확인하기 위해 BET 비표면적 분석과 BJH 기공분포를 확인하였다. 탄소의 추가로 향상된 전기전도성을 측정하였으며, 전기화학적 특성은 AC 임피던스 측정과 충 방전 및 수명특성을 확인하였다. $SiO_x/ZnO$시료에 탄소를 피복할 경우에 전기전도도가 증가하였으며, 방전용량도 증가하였다. 염산으로 ZnO를 제거한 시료의 경우에 표면적은 증가하였으나, 전지의 방전용량은 오히려 감소하였다. 탄소를 피복하지 않은 $SiO_x/ZnO$ 시료의 경우에 방전용량이 매우 낮았으며, 탄소를 피복한 후의 시료는 높은 충방전용량을 나타내었다. 수명특성의 경우, $C-SiO_x/ZnO$ 복합체(Zn : Si : C = 1 : 1 : 8)가 0.2 C의 전류량에서 50 사이클에서 $815mAh\;g^{-1}$의 용량으로 기존 흑연계 음극재보다 높은 용량을 나타내었다.

• 한국진공학회:학술대회논문집
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• 한국진공학회 2014년도 제46회 동계 정기학술대회 초록집
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• pp.186.2-186.2
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• 2014

최근 친환경 에너지에 대한 관심이 증폭되면서 리튬이차전지에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 특히 음극(anode) 물질의 경우 기존의 흑연(graphite)보다 이론적 용량이 약 10배 이상 높은 실리콘(Silicon)에 대한 관심이 매우 높다. 하지만 Si의 경우 리튬 충전거동 시 400% 이상의 부피팽창으로 몇 번의 충전/방전 싸이클(cycle)에 전극이 파괴되는 문제점을 지니고 있다. 이를 극복하기 위해 Si 나노선이 고려되고 있다. 우수한 전극특성을 갖는 Si 소재를 개발하기 위해서는 원자단위에서 Si 나노선의 리튬 충전 메커니즘을 살펴보는 것이 매우 중요하다. 하지만 기존의 시뮬레이션 기법으로는 Si 나노선의 볼륨팽창에 관한 메커니즘과 리튬 충전과정에서의 상변화(결정질에서 비정질) 과정을 설명하기는 기술적으로 매우 힘들다. 고전적인 분자동역학 방법의 경우 실제 나노스케일을 고려할 수 있지만, empirical potential로는 원자들간의 화학반응을 제대로 묘사할 수 없다. 한편 양자역학에 기반을 둔 제일원리방법의 경우 계산의 복잡성으로 현재의 컴퓨터 환경에서는 나노스케일에서 원자들의 동역학적인 거동을 연구하기 매우 힘들다. 우리는 이러한 문제를 해결하기 위해 실제 나노스케일에서 원자간 화학반응을 예측할 수 있는 Si-Li 시스템의 Reactive force field를 개발하였고, 분자동역학 계산방법을 이용하여 Si 나노선의 Li 충전 메커니즘을 규명하였다.

• 한국전기전자재료학회논문지
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• 제36권1호
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• pp.29-35
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• 2023

Herein we investigated the effect of the conductive agent on the electrochemical performance of the SiOx anode. SiOx anodes have a relatively low volume expansion (~160%) compared to Pure-silicon, but have a problem in that they have a poor electrical conductivity characteristic. In this study, physical and electrochemical measurements were performed using two 0-dimensional amorphous carbon conductive agents with different crystallinity and surface area. The crystal structure of the conductive agents and the local graphitization degree were analyzed through XRD and Raman, and the surface area of the particles was observed through BET. In addition, the electrical performance according to the graphitization degree of the conductive agents was confirmed through a 4-point probe. As a result of the electrochemical cycle and rate performance, it was confirmed that the performance of SiOx using a conductive agent having a low graphitization degree and a high surface area was improved. The results in this study suggest that the graphitization degree and surface area of the amorphous carbon conductive agent may play an important role in the SiOx electrode.

• 전기화학회지
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• 제22권2호
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• pp.69-78
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• 2019

리튬 금속 음극은 낮은 환원 전위, 고에너지 밀도로 인해 흑연을 대체할 차세대 음극재로 재조명 받고 있다. 하지만, 충방전시 리튬 금속 표면에서의 반복적인 산화/환원 반응에 의해 리튬 덴드라이트가 형성되며 이로 인해 수명특성이 급격하게 저하되고 더 나아가 내부 단락(Internal Short-circuit)과 같은 안전성 문제로 인해 상용화되기에는 어려운 실정이다. 이를 해결하기 위해 본 연구 그룹에서는 리튬 금속에 미세 패턴을 형성하여 전류 밀도를 제어함으로써 덴드라이트 형성을 제어하였으나, 고전류밀도에서는 리튬 덴드라이트의 형성을 완벽하게 제어할 수는 없었다. 본 연구에서는 미세 패턴화된 리튬 금속 전극에 전해질 첨가제 Vinylene Carbonate(VC)를 도입하여 고율 충방전 시 미세 패턴화된 리튬 금속 전극의 덴드라이트 형성 억제를 극대화하고자 하였다. 미세 패턴화된 리튬 금속 전극과 VC 첨가제의 시너지 효과로 인해 높은 전류 밀도에서의 리튬 덴드라이트가 비교적 치밀하게 형성되는 것을 확인할 수 있었다. 이로 인해 300사이클 동안 88.3%의 용량유지율을 보였으며, 기존의 미세 패턴화된 리튬 금속 전극에 대비하여 수명특성이 약 6배 이상 향상된 것을 확인할 수 있었다.

• 전기화학회지
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• 제25권1호
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• pp.1-12
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• 2022

리튬이온전지의 성능과 안전성을 뛰어넘는 다양한 차세대전지 개발이 진행되고 있다. 특히, 흑연을 대신할 고용량 음극 소재로 리튬 금속을 사용하는 연구는 여전히 활발히 이뤄지고 있지만, 높은 충전 전류 밀도에서 형성되는 덴드라이트는 리튬 금속 전극 상용화에 가장 큰 걸림돌이다. 이에 따라, 전해질 첨가제, 보호막 도입, 리튬 형상 제어 등 다양한 접근법으로 덴드라이트 문제를 개선하기 위한 연구가 진행되어 왔으며, 중요한 실험 결과 중 하나로서 가장 많이 보고되는 것이 리튬 대칭셀을 이용한 과전압 거동 분석이다. 이 과전압 거동은 크게 세 단계로 구분될 수 있지만, 대부분의 연구에서는 단순히 제어 변수에 따른 과전압 감소나 대칭셀 수명 차이로 각 접근법이 덴드라이트 형성 제어에 효과적임을 주장하고 있다. 또한, 각 과전압 거동을 자세히 살펴보면, 리튬 핵 생성 및 성장되는 전착 과정이나 탈리 조건에 크게 영향을 받고 있음에도, 이에 대한 해석은 제한적으로 이뤄지고 있다. 뿐만 아니라, 전착/탈리 과정이 장기간 반복됨에 따라, Dead 리튬 형성으로 인한 물질전달 제한이 과전압에 영향을 주고 있음이 명확히 언급되고 있지 않다. 따라서, 본 총설에서는 이러한 리튬 대칭셀 과전압 분석에 있어, 각 과전압 거동에 대한 이론적 배경을 자세히 설명하고, 전해질 조성, 분리막, 리튬 형상 제어, 리튬 표면 개질에 따른 과전압 거동 분석 결과를 재조명한다.

• 한국응용과학기술학회지
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• 제28권1호
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• pp.85-94
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• 2011

Expanded graphites were used as anode materials of high power Li-ion secondary battery. The expanded graphite was prepared by mixing the graphite with $HClO_4$ as a intercalation agents and $KMnO_4$ as a oxidizing agents. The physical and electrochemical properties of prepared expanded graphites through the variation of process variables such as contents of intercalation agent and oxidizing agent, and heat treatment temperature were analyzed for determination of optimal conditions as the anode of high power Li-ion secondary battery. After examing the electrochemical properties of expanded graphites at the different preparing conditions, the optimal conditions of expanded graphite were selected as 8 wt.% of oxidizing agent, 400 g of intercalation agent for 20 g of natural graphite, and heat treatment at $1000^{\circ}C$. The sample showed the improved charge/discharge characteristics such as 432 mAh/g of initial reversible capacity, 88% of discharge rate capability at 10 C-rate, and 24 mAh/g of charge capacity at 10 C-rate. However, the expanded graphite had the problems of potential plateaus like natural graphite and lower initial efficiency than the natural graphite.

• 한국재료학회지
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• 제25권6호
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• pp.279-287
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• 2015

In order to prepare anode materials for high power lithium ion secondary batteries, carbon composites were fabricated with a mixture of petroleum pitch and coke (PC) and a mixture of petroleum pitch, coke, and natural graphite (PC-NG). Although natural graphite has a good reversible capacity, it has disadvaantages of a sharp decrease in capacity during high rate charging and potential plateaus. This may cause difficulties in perceiving the capacity variations as a function of electrical potential. The coke anodes have advantages without potential plateaus and a high rate capability, but they have a low reversible capacity. With PC anode composites, the petroleum pitch/cokes mixture at 1:4 with heat treatment at $1000^{\circ}C$ (PC14-1000C) showed relatively high electrochemical properties. With PC-NG anode composites, the proper graphite contents were determined at 10~30 wt.%. The composites with a given content of natural graphite and remaining content of various petroleum pitch/cokes mixtures at 1:4~4:1 mass ratios were heated at $800{\sim}1200^{\circ}C$. By increasing the content of petroleum pitch, reversible capacity increased, but a high rate capability decreased. For a given composition of carbonaceous composite, the discharge rate capability improved but the reversible capacity decreased with an increase in heat treatment temperature. The carbonaceous composites fabricated with a mixture of 30 wt.% natural graphite and 70 wt.% petroleum pitch/cokes mixture at 1:4 mass ratio and heat treated at $1000^{\circ}C$ showed relatively high electrochemical properties, of which the reversible capacity, initial efficiency, discharge rate capability (retention of discharge capacity in 10 C/0.2 C), and charge capacity at 5 C were 330 mAh/g, 79 %, 80 %, and 60 mAh/g, respectively.

• 한국전기전자재료학회:학술대회논문집
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• 한국전기전자재료학회 2007년도 추계학술대회 논문집
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• pp.43-44
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• 2007

SiO and graphite composite has been prepared by adopting high energy ball milling technique. The anode material shows high initial discharge and charge capacity values of 1138 and 568 mAh/g, respectively. Since the materials formed during initial discharge process the nano silicon/$Li_4SiO_3\;and\;Li_2O$ remains as interdependent, it may be expected that the composite exhibiting higher amount of irreversible capacity$(Li_2O)$ will deliver higher reversible capacity. In this study, pretreatment method of constant current-constant voltage (CC-CV) Provided high coulombic efficiency of SiO/C composite electrode removing the greater part of irreversible capacity.

• 한국분말재료학회지
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• 제28권6호
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• pp.462-469
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• 2021

Tin/graphite composites are prepared as anode materials for Li-ion batteries using a dry ball-milling process. The main experimental variables in this work are the ball milling time (0-8 h) and composition ratio (tin:graphite=5:95, 15:85, and 30:70 w/w) of graphite and tin powder. For comparison, a tin/graphite composite is prepared using wet ball milling. The morphology and structure of the different tin/graphite composites are investigated using X-ray diffraction, Raman spectroscopy, energy-dispersive X-ray spectroscopy, and scanning and transmission electron microscopy. The electrochemical properties of the samples are also examined. The optimal dry ball milling time for the uniform mixing of graphite and tin is 6 h in a graphite-30wt.%Sn sample. The electrode prepared from the composite that is dry-ball-milled for 6 h exhibits the best cycle performance (discharge capacity after 50^th cycle: 308 mAh/g and capacity retention: 46%). The discharge capacity after the 50^th cycle is approximately 112 mAh/g, higher than that when the electrode is composed of only graphite (196 mAh/g after 50^th cycle). This result indicates that it is possible to manufacture a tin/graphite composite anode material that can effectively buffer the volume change that occurs during cycling, even using a simple dry ball-milling process.