Two different anode composite materials comprising of Fe, Cu and Si prepared using high energy ball milling (HEBM) were explored for their capacity and cycling behaviors. Prepared powder composites in the ratio Cu:Fe:Si = 1:1:2.5 and 1:1:3.5 were characterized through X-Ray diffraction (XRD) and scanning electron microscope (SEM). Nevertheless, the XRD shows absence of any new alloy/compound formation upon ball milling, the elements present in Cu(1)Fe(1)Si(2.5)/Graphite composite along with insito generated Li2O demonstrate a superior anodic behavior and delivers a reversible capacity of 340 mAh/g with a high coulombic efficiency (98%). The higher silicon content Cu(1)Fe(1)Si(3.5) along with graphite could not sustain capacity with cycling possibly due to ineffective buffer action of the anode constituents.
Hoang Anh Nguyen;Thi Nam Pham;Le Thanh Nguyen Huynh;Tran Ha Trang Nguyen;Viet Hai Le;Nguyen Thai Hoang;Thi Thom Nguyen;Thi Thu Trang Nguyen;Dai Lam Tran;Thi Mai Thanh Dinh
Journal of Electrochemical Science and Technology
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v.15
no.2
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pp.291-298
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2024
Due to its high theoretical capacity, Silicon (Si) has shown great potential as an anode material for lithium-ion batteries (LIBs). However, the large volume change of Si during cycling leads to poor cycling stability and low Coulombic efficiency. In this study, we synthesized Si/Carbon C45:Graphene composites using a ball-milling method with a fixed Si content (20%) and investigated the influence of the C45/Gr ratio on the electrochemical performance of the composites. The results showed that carbon C45 networks can provide good conductivity, but tend to break at Si locations, resulting in poor conductivity. However, the addition of graphene helps to reconnect the broken C45 networks, improving the conductivity of the composite. Moreover, the C45 can also act as a protective coating around Si particles, reducing the volume expansion of Si during charging/discharging cycles. The Si/C45:Gr (70:10 wt%) composite exhibits improved electrochemical performance with high capacity (~1660 mAh g-1 at 0.1 C) and cycling stability (~1370 mAh g-1 after 100 cycles). This work highlights the effective role of carbon C45 and graphene in Si/C composites for enhancing the performance of Si-based anode materials for LIBs.
Lithium diffusivity of the silicon (Si)-based materials of Si-Cu and $SiO_x$ (x = 0.4, 0.85) with improved interfacial stability to electrolyte have been determined, using variable rate cyclic voltammetry with film model electrodes. Lithium diffusivity is found to depend on the intrinsic properties of anode material and electrolyte; the fraction of oxygen for $SiO_x$ (x = 0.4, 0.85), which is directly related to electrical conductivity, and the electrolyte type with different ionic conductivity and viscosity, carbonate-based liquid electrolyte or ionic liquid-based electrolyte, affect the lithium diffusivity.
Lee, Yoon Joo;Ryu, Ji Yeon;Roh, Kwang Chul;Kim, Soo Ryong;Kwon, Woo Teck;Shin, Dong-Geun;Kim, Younghee
Journal of the Korean Ceramic Society
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v.50
no.6
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pp.480-484
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2013
Since SiOC was introduced as an anode material for lithium ion batteries, it has been studied with different chemical compositions and microstructures using various silicon based inorganic polymers. Poly(phenyl carbosilane) is a SiOC precursor with a high carbon supply in the form of the phenyl unit, and it has been investigated for film applications. Unlike any other siloxane-based polymers, oxygen atoms must be utilized in an oxidation process, and the amount of oxygen is controllable. In this study, SiOC anodes were prepared using poly(phenyl carbosilane) with different heat treatment conditions, and their electrochemical properties as an anode material for lithium ion batteries were studied. In detail, cyclic voltammetry and charge-discharge cycling behavior were evaluated using a half-cell. A SiOC anode which was prepared under a heat treatment condition at $1200^{\circ}C$ after an oxidation step showed stable cyclic performance with a reversible capacity of 360 mAh/g.
The theoretical capacity of silicon-based anode materials is more than 10 times higher than the capacity of graphite, so silicon can be used as an alternative to graphite anode materials. However, silicon has a much higher contraction and expansion rate due to lithiation of the anode material during the charge and discharge processes, compared to graphite anode materials, resulting in the pulverization of silicon particles during repeated charge and discharge. To compensate for the above issues, there is a growing interest in SiOx materials with a silica or carbon coating to minimize the expansion of the silicon. In this study, spherical silica (SiO2) was synthesized using TEOS as a starting material for the fabrication of such SiOx through heating in a reduction atmosphere. SiOx powder was produced by adding PVA as a carbon source and inducing the reduction of silica by the carbothermal reduction method. The ratio of TEOS to distilled water, the stirring time, and the amount of PVA added were adjusted to induce size and morphology, resulting in uniform nanosized spherical silica particles. For the reduction of the spherical monodisperse silica particles, a nitrogen gas atmosphere mixed with 5 % hydrogen was applied, and oxygen atoms in the silica were selectively removed by the carbothermal reduction method. The produced SiOx powder was characterized by FE-SEM to examine the morphology and size changes of the particles, and XPS and FT-IR were used to examine the x value (O/Si ratio) of the synthesized SiOx.
SiO has a high theoretical capacity as a promising anode material candidate for high-energy-density Li-ion batteries. However, its practical application is still not widely used because of the large volume change that occurs during cycling. In this report, an active material containing a mixture of SiO and graphite was used to improve the insufficient energy density of the conventional anode with the support of multidimensional conducting agents. To relieve the isolation of the active materials from volume changes of SiO/graphite electrode, two types of conducting agents, namely, 1-dimensional VGCF and 0-dimensional Super-P, were introduced. The combination of VGCF and Super-P conducting agents efficiently maintained electrical pathways among particles in the electrode during cycling. We found that the electrochemical performances of cycleability and rate capability were greatly improved by employing the conducting agent combinations of VGCF and Super-P compared with the electrode using only single VGCF or single Super-P. We investigated the detailed failure mechanisms by using systematic electrochemical analyses.
Journal of the Korean Institute of Electrical and Electronic Material Engineers
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v.32
no.4
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pp.341-348
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2019
This paper reports the microstructure and electrochemical properties of Si-Al-Fe ternary amorphous alloys prepared by rapid solidification as an anode for lithium secondary batteries. The microstructure was analyzed using XRD and HR-TEM with EDS mapping. In accordance with DSC analysis, annealing was performed to crystallize the active nano-Si in the amorphous alloy. Thus, nano-Si forms (~80 nm) embedded in the matrix alloy, such as $Fe_2Al_3Si_3$, $FeSi_2$, and $Fe_{0.42}Si_{2.67}$, were successfully synthesized. The electrode based on the Si-Al-Fe ternary alloy delivered an initial discharge capacity of approximately $700mAh^{g-1}$, and exhibited a high Coulombic efficiency of 99.0~99.6% from the $2^{nd}$ to $70^{th}$ cycles.
It is necessarily required in developing Si-based anode materials for lithium ion batteries, and the related researches are actively working especially in Si-carbon composite material. On the other hand, the photovoltaic and semiconductor industries discard huge amount of Si resources, facing the environmental issue. In this study, recycled Si resource is adopted to obtain Si-carbon composite for LIB(Lithium-Ion Batteries). In order to improve high-capacity retention characteristics and cycle stability of a Si anode material for the LIB, two differenct composites having a mass ratio of silicon and pitch of 1:1 and 2:1 are synthesized and electrochemical characteristics of the anode material manufactured by simple self-assembly method. This result in excellent initial capacity with stable cycle life, and confirming the potential use of recycled Si material for LIB.
Proceedings of the Materials Research Society of Korea Conference
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2003.11a
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pp.209-209
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2003
The adventages of Li alloys have attracted the attention of many research groups, many of which have investigated tin-based alloys [1-2], Despite interesting performances of these, the irreversible capacity loss systematically observed on the first cycle for these compounds is a main drawback for their use as anode materials in lithium ion cells. Not only Sn is efficient in forming alloys with Li, Si can also react with Li to form alloys with a high Li/Si ratio, like Li$\_$22/Si$\_$5/ at 400$^{\circ}C$. It corresponds to a capacity of 4200mAh/g. Electrochemical Li-Si reaction occurs between 0 and 0.3 V against Li/Li$\^$+/, so that high-energy density battery can be realized. Despite the high theoretical capacity of elements like Si, however, particles of the alloys crack and fragment due to the repeated alloying and do-alloying which occurs as cell are charged and discharged. The research groups of Muggins [3] and Besenhard [4] have proposed that the volume expansion due to the insertion of Li can be reduced in micro- and submicro-structured matrix alloys. For this reason, the research group of J.R. Dahn investigated Sn/Mo sequential sputter deposition to prepare nanocomposites [5]. In this study, we investigated the characterization and the electrochemical characteristics of sequentially sputtered Si/Mo multilayer for microbattery anode.
In this study, the electrochemical properties of dopamine coated silicon/silicon carbide/carbon(Si/SiC/C) composite materials were investigated to improve cycle stability and rate performance of silicon-based anode active material for lithium-ion batteries. After synthesizing CTAB/SiO2 using the Stöber method, the Si/SiC composites were prepared through the magnesium thermal reduction method with NaCl as heat absorbent. Then, carbon coated Si/SiC anode materials were synthesized through polymerization of dopamine. The physical properties of the prepared Si/SiC/C anode materials were analyzed by SEM, TEM, XRD and BET. Also the electrochemical performance were investigated by cycle stability, rate performance, cyclic voltammetry and EIS test of lithium-ion batteries in 1 M LiPF6 (EC: DEC = 1:1 vol%) electrolyte. The prepared 1-Si/SiC showed a discharge capacity of 633 mAh/g and 1-Si/SiC/C had a discharge capacity of 877 mAh/g at 0.1 C after 100 cycles. Therefore, it was confirmed that cycle stability was improved through dopamine coating. In addition, the anode materials were obtain a high capacity of 576 mAh/g at 5 C and a capacity recovery of 99.9% at 0.1 C/0.1 C.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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