The phase forming ability and formation enthalpies(${\Delta}H$) of Si-M(M = Ti, Cu, Ni, Zr) compound alloys were predicted by Miedema's model. The silicon compound alloys were synthesized by mechanical alloying and then characterized for the phase formation by X -ray diffraction. The electrochemical properties as the anode materials for lithium ion batteries were investigated using a galvanostatic method. It appears that the electrochemical characteristics of Si-M alloys can be predicted from the thermodynamic criteria for the phase formation using the Miedema's model.
Kim, Kyung Soo;Kang, Seok Chang;Lee, Jong Dae;Im, Ji Sun
Applied Chemistry for Engineering
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v.32
no.1
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pp.117-123
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2021
In this study, the composite was prepared by mixing SiOx, soft carbon, and carbon black and the electrochemical properties of lithium ion battery were investigated. The content of SiOx added to improve the capacity of the soft carbon anode material was varied to 0, 6, 8, 10, 20 wt%, and carbon black was added as a structural stabilizer for reducing the volume expansion of SiOx. The physical properties of prepared CB/SiOx/C composite were investigated through XRD, SEM, EDS and powder resistance analysis. In addition, the electrochemical properties of prepared composite were observed through the charge/discharge capacity, rate and impedance analysis of the lithium ion battery. The prepared CB/SiOx/C composite had an inner cavity capable of mitigating the volume expansion of SiOx by adding carbon black. The formed internal cavity showed a low initial efficiency when the SiOx content was less than 8 wt%, and low cycle stability when the content of SiOx was less than 20 wt%. The CB/SiOx/C composite containing 10 wt% of SiOx showed an initial discharge capacity of 537 mAh/g, a capacity retention rate of 88%, and a rate of 79 at 2C/0.1C. SiOx was added to improve the capacity of the soft carbon anode material, and carbon black was added as a structural stabilizer to buffer the volume change of SiOx. In order to use the CB/SiOx/C composite as a high-efficiency anode material, the mechanism of the optimal SiOx and the use of carbon black as a structural stabilizer was discussed.
The effects of carbon-coated silicon/graphite (Si/Gr.) composite anode on the electrochemical properties were investigated. The nanosized silicon particle shows a good cycling performance with a reasonable value of the first reversible capacity as compared with microsized silicon particle. The carbon-coated silicon/graphite composite powders have been prepared by pyrolysis method under argon/10 wt% propylene gas flow at $700{^{\circ}C}$ for 7 h. Transmission electron microscopy (TEM) analysis indicates that the carbon layer thickness of 5 nm was coated uniformly onto the surface silicon powder. It is confirmed that the insertion of lithium ions change the crystalline silicon phase into the amorphous phase by X-ray diffraction (XRD) analysis. The carbon-coated composite silicon/graphite anode shows excellent cycling performance with a reversible value of 700 mAh/g. The superior electrochemical characteristics are attributed to the enhanced electronic conductivity and low volume change of silicon powder during cycling by carbon coating.
In this study, to reduce the consumption of chemicals in cleaning processes, Si-wafers contaiminated with metallic impurities were cleaned with electrolyzed water(EW), which was generated by the electrolysis of a diluted electrolyte solution or ultra pure water(UPW). Electrolyzed water could be controlled for obtaining wide ranges of pH and ORP(oxidation-reduction potential). The pH and oxidation-reduction potential of anode water and cathode water were measured to be 4.7 and +1000mV, and 6.3 and -550mV, respectively. To analyze the amount of metallic impurities on Si-wafer surfaces, ICP-MS was introduced. Anode water was effective for Cu removal, while cathode water was more effective for Fe removal.
Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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2013.08a
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pp.288-288
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2013
Lithium-ion battery (LIB) is one of the most important rechargeable battery and portable energy storage for the electric digital devices. In particular, study about the higher energy capacity and longer cycle life is intensively studied because of applications in mobile electronics and electric vehicles. Generally, the LIB's capacity can be improved by replacing anode materials with high capacitance. The graphite, common anode materials, has a good cyclability but shows limitations of capacity (~374 mAh/g). On the contrary, silicon (Si) and germanium(Ge), which is same group elements, are promising candidate for high-performance LIB electrodes because it has a higher theoretical specific capacity. (Si:4200 mAh/g, Ge:1600 mAh/g) However, it is well known that Si volume change by 400% upon full lithiation (lithium insertion into Si), which result in a mechanical pulverization and poor capacity retention during cycling. Therefore, variety of nanostructure group IV elements, including nanoparticles, nanowires, and hollow nanospheres, can be promising solution about the critical issues associated with the large volume change. However, the fundamental research about correlation between the composition and structure for LIB anode is not studied yet. Herein, we successfully synthesized various structure of nanowire such as Si-Ge, Ge-Carbon and Si-graphene core-shell types and analyzed the properties of LIB. Nanowires (NWs) were grown on stainless steel substrates using Au catalyst via VLS (Vapor Liquid Solid) mechanism. And, core-shell NWs were grown by VS (Vapor-Solid) process on the surface of NWs. In order to characterize it, we used FE-SEM, HR-TEM, and Raman spectroscopy. We measured battery property of various nanostructures for checking the capacity and cyclability by cell-tester.
As the use of fossil fuels has gradually increased, so has the emission of greenhouse gases such as carbon dioxide, leading to environmental problems. As a result, lithium-ion batteries (LiB) have emerged as the solution to this issue. To manufacture medium to large-sized lithium-ion batteries (LiB), it requires electrodes with high capacity and fast charging capabilities. Silicon (Si) is considered a next-generation anode with high-capacity properties, so, reduced graphene oxide (rGO) was compounded with Si@resorcinol-formaldehyde resin (RF) composite to prevent the volume expansion of Si. It was confirmed that the composite anode prepared exhibited improved capacity and enhanced stability.
Kim, Eudem;Kwon, Soon Hyung;Kim, Myung-Soo;Jung, Ji Chul
Korean Journal of Materials Research
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v.24
no.5
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pp.243-248
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2014
Silicon-carbon composite was prepared by the magnesiothermic reduction of mesoporous silica and subsequent impregnation with a carbon precursor. This was applied for use as an anode material for high-performance lithium-ion batteries. Well-ordered mesoporous silica(SBA-15) was employed as a starting material for the mesoporous silicon, and sucrose was used as a carbon source. It was found that complete removal of by-products ($Mg_2Si$ and $Mg_2SiO_4$) formed by side reactions of silica and magnesium during the magnesiothermic reduction, was a crucial factor for successful formation of mesoporous silicon. Successful formation of the silicon-carbon composite was well confirmed by appropriate characterization tools (e.g., $N_2$ adsorption-desorption, small-angle X-ray scattering, X-ray diffraction, and thermogravimetric analyses). A lithium-ion battery was fabricated using the prepared silicon-carbon composite as the anode, and lithium foil as the counter-electrode. Electrochemical analysis revealed that the silicon-carbon composite showed better cycling stability than graphite, when used as the anode in the lithium-ion battery. This improvement could be due to the fact that carbon efficiently suppressed the change in volume of the silicon material caused by the charge-discharge cycle. This indicates that silicon-carbon composite, prepared via the magnesiothermic reduction and impregnation methods, could be an efficient anode material for lithium ion batteries.
Many excellent Al-Zn-In anode have been developed up to the present. But for the purpose of the better performance of Al-Zn-In anodes in sea water the effect of calcium silicon addition on anodic polarization and current capacity of Al-Zn-In anodes was measured and analysed in sea water and artificial sea water. The results and conclusions obtained are summarized as follows. 1) Being compared with Al-Zn-In anodes, Al-Zn-In anodes containing 0.05% calcium silicon had superior characteristics in both anodic polarization and current capacity. 2) Corrosion patterns of the anodes containing calcium silicon were much more uniform than those of Al-Zn-In anodes. 3) In this experiment the most useful anode was Al-4% Zn-0.03% In-0.05% (Ca-Si). It had a capacity of 2.60Amp-hr of current/g and a voltage of 1.13(SCE reference) at anodic current density 1,000 4{\mu}A/cm^2$.
Si-C composite with hollow spherical structure was synthesized using ultrasonic treatment of organosilica powder formed by hydrolysis of phenyltrimethoxysilane. The prepared powder was pyrolyzed at various temperatures ranging from 900 to 1300 $^{\circ}C$ under nitrogen atmosphere to obtain optimum conditions for Li-ion battery anode materials with high capacity and cyclability. The XRD and elemental analysis results show that the pyrolyzed Si/C composite at 1100 $^{\circ}C$ has low oxygen and nitrogen levels, which is desirable for increasing the electrochemical capacity and reducing the irreversible capacity of the first discharge. The solid Si-C composite electrode shows a first charge capacity of $\sim$500 mAhg$^{-1}$ and a capacity fade within 30 cycles of 0.93% per cycle. On the other hand, the electrochemical performance of the hollow Si-C composite electrode exhibits a reversible charge capacity of $\sim$540 mAhg$^{-1}$ with an excellent capacity retention of capacity loss 0.43% per cycle up to 30 cycles. The improved electrochemical properties are attributed to facile diffusion of Li ions into the hollow shell with nanoscale thickness. In addition, the empty core space provides a buffer zone to relieve the mechanical stresses incurred during Li insertion.
Kim, SunKyung;Kim, ChanMi;Chang, Hankwon;Jang, Hee Dong
Particle and aerosol research
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v.15
no.4
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pp.127-137
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2019
Recently, high electrochemical performance anode materials for lithium ion secondary batteries are of interest. Here, we present silicon-carbon-graphene (Si-C-GR) composites for high performance anode materials of lithium ion secondary battery (LIB). Aerosol process and heat-treatment were employed to prepare the Si-C-GR composites using a colloidal mixture of silicon, glucose, and graphene oxide precursor. The effects of the size of the silicon particles in Si-C-GR composites on the material properties including the morphology and crystal structure were investigated. Silicon particles ranged from 50 nm to 1 ㎛ in average diameter were employed while concentration of silicon, graphene oxide and glucose was fixed in the aerosol precursor. Morphology of as-fabricated Si-C-GR composites was generally the shape of a crumpled paper ball and the Si particles were well wrapped in carbon and graphene. The size range of composites was about from 2.2 to 2.9 ㎛. The composites including silicon particles larger than 200 nm in size exhibited higher performance as LIB anodes such as capacity and coulombic efficiency than silicon particles less than 100 nm, which were about 1500 mAh/g at 100 cycles in capacity and 99% in coulombic efficiency, respectively.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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