Korean Chem. Eng. Res., 54(1), 16-21 (2016) http://dx.doi.org/10.9713/kcer.2016.54.1.16 PISSN 0304-128X, EISSN 2233-9558 CNT 를첨가한 Silicon/Carbon 음극소재의전기화학적특성 정민지 박지용 이종대 충북대학교화학공학과 28644 충청북도청주시서원구충대로 1 (2015 년 7 월 7 일접수, 2015 년 9 월 12 일수정본접수, 2015 년 9 월 17 일채택 ) Electrochemical Characteristics of Silicon/Carbon Composites with CNT for Anode Material Min zy Jung, Ji Yong Park and Jong Dae Lee Department of Chemical Engineering, Chungbuk national Univ., 1, Chungdea-ro, Seowon-gu, Cheongju, Chungbuk, 28644, Korea (Received 7 July 2015; Received in revised form 12 September 2015; accepted 17 September 2015) 요 약 실리콘의부피팽창과낮은전기전도도를개선하기위하여 Silicon/Carbon/CNT 복합체를제조하였다. Silicon/Carbon/ CNT 합성물은 SBA-15 를합성한후, 마그네슘열환원반응으로 Silicon/MgO 를제조하여 Phenolic resin 과 CNT 를첨가하여탄화하는과정을통해합성하였다. 제조된 Silicon/Carbon/CNT 합성물은 XRD, SEM, BET, EDS 를통해특성을분석하였다. 본연구에서는충방전, 사이클, 순환전압전류, 임피던스테스트를통해 CNT 첨가량에따른전기화학적효과를조사하였다. LiPF 6 (EC:DMC:EMC=1 :1 :1 vol%) 전해액에서 Silicon/Carbon/CNT 음극활물질을사용하여제조한코인셀은 CNT 함량이 7wt% 일때 1,718 mah/g 으로높은용량을나타내었다. 코인셀의사이클성능은 CNT 첨가량이증가할수록개선되었다. 11 wt% 의 CNT 를첨가한 Silicon/Carbon/CNT 음극은두번째사이클이후 83% 의높은용량보존율을나타냄을알수있었다. Abstract Silicon/Carbon/CNT composites as anode materials for lithium-ion batteries were synthesized to overcome the large volume change during lithium alloying-de alloying process and low electrical conductivity. Silicon/Carbon/CNT composites were prepared by the fabrication processes including the synthesis of SBA-15, magnesiothermic reduction of SBA-15 to obtain Si/MgO by ball milling, carbonization of phenolic resin with CNT and HCl etching. The prepared Silicon/Carbon/CNT composites were analysed by XRD, SEM, BET and EDS. In this study, the electrochemical effect of CNT content to improve the capacity and cycle performance was investigated by charge/discharge, cycle, cyclic voltammetry and impedance tests. The coin cell using Silicon/Carbon/CNT composite (Si:CNT=93:7 in weight) in the electrolyte of LiPF 6 dissolved in organic solvents (EC:DMC:EMC=1:1:1 vol%) has better capacity (1718 mah/g) than those of other composition coin cells. The cycle performance of coin cell was improved as CNT content was increased. It is found that the coin cell (Si:CNT=89:11 in weight) has best capacity retension (83%) after 2nd cycle. Key words: Silicon/Carbon/CNT, Anode material, Carbon nanotube, Magnesiothermic reduction, Lithium ion battery 1. 서론 휴대용전자기기및전기자동차시장의성장에따라이를전원으로사용하는에너지저장장치에대한관심이높아지고있다 [1]. 리튬이차전지는다른이차전지에비해작동전압및에너지밀도가높을뿐아니라오래사용할수있어기기의다양화와복잡화에따른복잡한요구조건을충족시킬수있는우수한특성을지니고있다. 이러한 To whom correspondence should be addressed. E-mail: jdlee@chungbuk.ac.kr This is an Open-Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/bync/3.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited. 고성능전지특성에기인하여플러그인하이브리드자동차및전기자동차, 그리고산업용공구, 로봇의전원같은대용량에너지저장장치로서중요성을더해가고있다 [2]. 리튬이차전지의음극소재인실리콘은친환경적이고 4200 mah/g의우수한용량을가지며지구상에풍부하게존재하기때문에탄소계음극소재를대체할고용량리튬이차전지음극소재로각광받고있다 [3]. 하지만 Silicon 하나당 4.4개의리튬이온이반응하여 Li 22 Si 5 합금을형성함으로써 400% 에달하는큰부피팽창이발생하게되어실리콘입자의파괴와전극과의분리가일어나급격한용량의감소가발생하는단점이있다 [4]. 따라서실리콘음극의부피팽창을완화시키고더나은용량유지특성을얻기위하여실리콘입자를나노크기로제작하거나, Polyacrylic Acid와같은수계형바인더를이용 16
CNT 를첨가한 Silicon/Carbon 음극소재의전기화학적특성 17 하는것이 Wen 등 [5] 과 Yim 등 [6] 에의해연구되었다. 실리콘의부피팽창을억제하는방법으로용량이높으면서우수한사이클특성을가지는실리콘 -탄소복합체를제조하는방법이연구되고있다. 실리콘표면에비활성을띄는탄소층코팅시완충제역할을하게되어실리콘의부피팽창을억제하는것뿐만아니라전기전도도가높은탄소가전지성능을향상시킨다 [7]. Liu 등 [8] 의연구에서는 Pitch, PVC, Sucrose 등의여러종류탄소전구체를탄화시키는방법을사용하여실리콘과복합체를제조한후탄소전구체별전지성능을비교하였다. 탄소소재로탄소나노튜브를사용하여실리콘-탄소나노튜브복합소재를제조할경우탄소나노튜브가실리콘부피팽창의완충작용을하여전극수명특성을향상시킨다는것이 Cetinkaya 등 [9] 의연구에의해보고되었다. 본연구에서는마그네슘열환원법을이용하여 Mesoporous Santa Barbara Amorphous-15 (SBA-15) 로부터기공을갖는 Silicon을합성한후 Silicon의부피팽창완화를위해페놀레진을탄소전구체로하여카본코팅을하고전기전도도가높은 CNT를다양한비율로첨가하여복합체를합성하였다. 합성된 Silicon/Carbon/CNT의물리적특성을분석하기위하여 XRD, FE-SEM, TGA, BET, EDS 등을측정하였고, 충방전, 사이클, 율속, 순환전압전류, 임피던스테스트를통해전기화학적특성을조사하였다. 2. 실험 2-1. SBA-15 제조 12M HCl 94g에 Poly(ethylene glycol)-block-poly(propylene glycol)- block-poly(ethylene glycol) (P123, Sigma Aldrich) 16 g이완전용해할때까지교반시킨후용액을증류수에담아서상온에서 24시간교반한다. 그다음 Tetraethyl orthosilicate (TEOS, Sigma Adrich) 를용액에고르게분산하여 100 o C에서 24시간가열한다. 가열후에탄올과증류수를이용하여필터링하여 70 o C 오븐에서 50분동안건조한다음 550 o C, Air 분위기하에서 5시간소성하여 SBA-15를제조한다. 2-2. Silicon/Carbon/CNT 제조제조된 SBA-15을 Mg (Sigma Aldrich) 와 1 : 2의몰비율로물리적혼합하여 650 o C, Ar 가스분위기하에서 5시간소성한다. 소성후얻은 Silicon/MgO의 5배중량 Phenol resin (KANGNAM CHEMICAL) 을아세톤에용해한후 Silicon/MgO의 3 wt%, 7 wt%, 11 wt% 중량비의 CNT (purity 90%, diameter ~20 nm, Applied Carbon Nano Technology) 를각각첨가하여겔상태로만든후 800 o C에서 Ar 가스분위기하 에서 7시간소성하여 Silicon/MgO/Carbon/CNT 복합체를제조한다. 소성후 1 mol/l의 HCl로산처리한후에탄올과증류수를이용하여필터링하여 70 o C 오븐에서 12시간건조하여 Silicon/Carbon/CNT를제조한다. Fig. 1에서 Silicon/Carbon/CNT의개념도를나타내었다. 2-3. 리튬이차전지제조및전기화학적특성분석전기화학적특성분석을위한전극제조는활물질 (Silicon/ Carbon/CNT) : 도전재 (Super-P) : 바인더 (PVDF) 를 6 : 2 : 2의중량비로혼합하여슬러리를제조하였으며 NMP (1-methyl-2-pyrr odidinone, Sigma Aldrich) 로점도를조절하여슬러리제조후에구리호일에코팅하여전극을제조하였다. Silicon/Carbon/CNT 합성물의전기화학적특성을확인하기위하여 Li metal을상대전극으로하여코인타입의 half cell을제조하였다. 제조된 Silicon/Carbon/CNT 합성물의입자형상관찰과물질조성분석을위해 SEM (Scanning Electron Microscope, S-2500C, Hitachi) 과 EDS (Energy-dispersive X-ray spectroscopy, AURIGA) 분석을하였다. XRD (X-ray dif fraction, Bruker-D-5005) 분석으로결정구조를확인하였고, 합성물의비표면적및기공크기등을 BET를통해측정하였으며 TGA (SDT-2960, TA-Instruments) 를통하여합성물질의탄소함량을알아보았다. 제작된전지의전기화학적특성을평가하기위해 WBCS 3000 Battery Cycler (Won A Tech) 를이용하여충 방전시험을하였다. 충 방전테스트의 cut-off voltage는 0.01 V~1.5 V로하고다양한 C-rate에서율속테스트를진행하였다. 순환전압전류테스트는구동전압을 0~2.5 V로하고 0.1 mv/s scan rate에서측정하였으며 100 KHz~0.01 Hz의범위에서 ZIVE LAB MP2 (Won A Tech) 를이용하여임피던스시험을하였다. 3. 결과및고찰 3-1. Silicon/Carbon/CNT 합성물물성분석 SBA-15, Silicon, Silicon/Carbon/CNT의 XRD 패턴을 Fig. 2에서나타내었다. Fig. 2(a) 의 SBA-15는 23 부근에서넓은피크를나타내어무정형의 SiO 2 특성을가지고있는것을나타내었다. Silicon의 XRD 분석결과를살펴보면 2θ=28.4, 47.3, 56.1, 69.1, 76.4, 88.1 에서주요피크가나타났고, 각각의피크는 (111), (220), (311), (400), (331) 의결정면을나타냈다. Su 등 [10] 의연구에서보고한탄화된페놀레진의피크는본연구에서매우넓게나타났으며카본구조가무정형이라는것을알수있었다. SBA-15는온도, HCl농도에따라길이와비표면적에영향을받게 Fig. 1. Schematic diagram of the synthesis process for Silicon/Carbon/CNT anode.
18 정민지 박지용 이종대 Fig. 2. XRD patterns of SBA-15, Silicon and Silicon/Carbon/CNT (11 wt%) composite. 되는데 본 연구에서는 최적의 조건을 찾는 실험을 선행하여 SBA15를 합성하였다. Zhao 등[11]과 Wang 등[12]의 연구에서 다양한 조 건에서의 SBA-15를 합성하는 연구를 하였다. Fig. 3(a)의 SBA-15는 기둥 모양의 결정 구조들이 서로 뭉쳐있는 형상을 나타내고 있으며, 입자크기는 대략 1 µm 임을 확인 할 수 있었다. Fig. 3(b)의 Silicon은 SBA-15의 마그네슘 열 환원을 통해 제조하였으며 SBA-15와 유사 한 모양의 결정 구조를 갖고 있었다. Fig. 3(c)의 CNT는 nanotube들이 얽혀 있음을 확인하였고, Silicon/Carbon/CNT 합성물은 Fig. 3(d)에 서 보듯이 표면에 탄소와 CNT가 응집하여 있는 것을 알 수 있었다. 합성물 단면을 통하여 CNT 첨가량에 따른 Silicon/Carbon/CNT 합성물의 기공 특성을 Fig. 4에서 도시하였다. 7 wt%를 첨가하였을 때 기공이 균일하지 않게 형성되는 것을 확인하였고, SBA-15, Silicon과 Silicon/Carbon/CNT 합성물의 비표면적을 BET를 통해 측 정하였다. 각 물질의 질소 흡 탈착 등온선을 Fig. 5에서 도시하였으 며 Table 1에서 보듯이 SBA-15와 Silicon, Silicon/Carbon/CNT 합성 물의 비표면적은 각각 853 m2/g, 197 m2/g, 316 m2/g으로 측정되었 고, 기공 크기는 Silicon/Carbon/CNT 합성물에서 Silicon과 비교했 을 때 21.70 nm로 감소한 것으로 보아 내부 기공에 탄소가 코팅됨을 확인하였다. Silicon/Carbon/CNT 복합물의 물질 조성을 알아보기 위해 EDS Fig. 3. FE-SEM images of (a) SBA-15 (x30,000), (b) Silicon (x30,000), (c) CNT (x30,000) and (d) Silicon/Carbon/CNT (11 wt%) composite (x30,000). 측정한 것을 Fig. 6에 나타내었다. Fig. 6의 Silicon/carbon/CNT 합성 물의 EDS mapping 분석 결과 탄소와 실리콘이 고르게 분포되어 합 성되었고, 실리콘 표면에 SiO2가 생성되어 산소분포가 나타나는 것을 확인하였다. 또한 Silicon/Carbon/CNT의 구성 원소와 입자 깊이에 따른 Fig. 5. Nitrogen adsorption/desorption isotherms of SBA-15, silicon and Silicon/Carbon/CNT (11 wt%) composites. Fig. 4. Cross section images of (a) Silicon/Carbon/CNT (3 wt%), (b) Silicon/Carbon/CNT (7 wt%) and (c) Silicon/Carbon/CNT (11 wt%) composites.
CNT를 첨가한 Silicon/Carbon 음극소재의 전기화학적 특성 Table 1. Specific surface area and average pore size Specific surface area (m2/g) Average pore size (nm) SBA-15 Silicon 853 65.42 197 38.18 Silicon/Carbon/CNT (11 wt%) 316 21.70 19 Table 2. Specific capacity of Silicon/Carbon/CNT composites Weight fraction of CNT 3 wt% 1st cycle capacity (mah/g) 1,440 2nd cycle capacity (mah/g) 720 50th cycle capacity (mah/g) 524 2nd cycle ~50th cycle capacity retention (%) 72.8 7 wt% 11 wt% 1,718 1,326 679 599 517 498 76.0 83.1 Fig. 6. EDS mapping image and EDS spectra of Silicon/Carbon/ CNT (11 wt%). Fig. 8. Cycle performances of Silicon/Carbon/CNT composites. Fig. 7. TGA curve of Silicon/Carbon/CNT(11%) composite under air atmosphere. 원소함량을 알아보기 위해 EDS line scan 실험을 실시하여 표면에 Carbon과 CNT가 코팅되어 탄소 함량이 높아지는 것을 확인할 수 있었다. Silicon/Carbon/CNT 합성물에서의 카본 함량을 알아보기 위하여 Air 분위기에서 5 oc~1000 oc까지 가열하면서 TGA를 측정 하였다. Silicon/Carbon/CNT 합성물에서의 카본 물질 함량은 대략 83% 이며, TGA 분석결과 대략 400~600 oc까지 82.27%의 무게 변 화가 일어났다. 이를 통해 합성 시 넣은 탄소 물질의 함량과 비슷한 값이 나온 것을 Fig. 7에서 확인하였다. 3-2. Silicon/Carbon/CNT 합성물 전기화학적 특성 음극 소재로 사용한 Silicon/Carbon/CNT 합성물은 CNT의 합량을 3 wt%, 7 wt%, 11 wt%로 각각 첨가하였으며, 그에 따른 충 방전 특 성을 분석하여 Table 2와 Fig. 8에 나타내었다. Silicon/Carbon/CNT Fig. 9. Rate performances of Silicon/Carbon/CNT composites. (3 wt%)에서의 충 방전 용량은 첫 번째 사이클에서 1,440 mah/g의 용량을 나타내었으며 두 번째 사이클 이후 720 mah/g으로 감소하여 50 사이클 까지 72.8%의 용량유지율을 나타냈다. Silicon/Carbon/ CNT (7 wt%)에서의 충 방전 용량은 첫 번째 사이클에서 1,718 mah/g로 가장 높은 용량을 나타내었으나 두 번째 사이클에서 679 mah/g로 용량이 급격하게 감소하는 결과를 나타내었다. Silicon/Carbon/CNT (11 wt%)에서의 충 방전 용량은 첫 번째 사이클에서는 1326 mah/g 으로 가장 낮은 용량을 나타냈지만 두 번째 사이클 이후 83%의 가 장 높은 용량유지율을 가져 안정적인 사이클 특성을 보였다. 이는 앞에서 언급한 Fig. 4에서 7 wt%일 경우 상대적으로 많은 기공이 형
20 정민지 박지용 이종대 성되어초기가역용량이높게나타나며, 11 wt% 일때 CNT에의해균일한합성물의기공형성으로인하여우수한사이클안정성을보인다. 또한 Lee등 [13] 의연구에서는 CNT를첨가하지않았을때 Silicon/Carbon 복합체의사이클안정성이 69% 인것으로보고되었고, 본논문에서는 CNT 첨가를통하여 Lee등의결과보다사이클안정성이개선되었으며, 가장우수한경우 82% 의사이클안정성을나타내었다. CNT 함량에따른율속특성시험을하여다양한 C-rate에서의용량특성및사이클특성을알아보았다. Fig. 9에서나타내듯이율속이증가함에따라서용량이감소하는경향을보였으며 0.1C에서의두번째사이클이후의사이클안정성은세합성물모두 70% 이상을나타내었다. 0.5C에서는 Silicon/Carbon/CNT (7 wt%) 와 Silicon/ Carbon/CNT (11 wt%) 의효율이 Silicon/Carbon/CNT (3 wt%) 보다우수한형태를보였다. 0.8C와 1C에서는 Silicon/Carbon/CNT (11 wt%) 의용량이가장높게유지되었고 90% 이상의사이클안정성을나타내었다. 용량회복율을알아보기위해추가적으로실시한 0.1C에서의사이클안정성은세합성물모두 80% 이상으로안정적인형태를보여주었다. 전극표면반응을알아보기위해 0.1 mv/s 의 Scan rate 로순환전압전류실험을실시하였다. Fig. 10에나타나듯이 Silicon/Carbon/CNT (3 wt%, 7 wt%, 11 wt%) 모두 0.4 V, 0.6 V 부근에서산화피크가형성되었음을확인하였으며이는 Li x Si상에서리튬이온이탈리되었기때문이다. CNT 첨가량이증가할수록산화피크가넓게형성되었으며이는전자전도성이높은 CNT가리튬이온의탈착을빠르게하여산화피크에영향을미치는것으로보여진다 [9]. 첫번째사이클에서 0.6~0.8 V 사이에나타난피크는 SEI 층형성으로인한환원피크이고, 리튬이온삽입으로인한환원피크는 0.2 V 부근에서나타나는것으로확인되었다 [14]. Fig. 11은 Silicon/Carbon/CNT 합성물의 CNT 첨가량에따른저항특성을보여주는임피던스측정결과이다. CNT첨가량이가장높은 Silicon/Carbon/CNT (11 wt%) 에서저항이 27.9 ohm 으로가장작게나타났고, Silicon/Carbon/CNT (3 wt%), Silicon/Carbon/CNT (7 wt%) 에서각각 250 ohm, 32.7 ohm의저항을나타내었다. CNT 첨가량이증가할수록전기화학적전도성이증가하여저항이확연히감소하는것을확인할수있었다. Fig. 10. Cyclic voltammograms of Silicon/Carbon/CNT composites. Fig. 11. Impedance of Silicon/Carbon/CNT composites.
CNT 를첨가한 Silicon/Carbon 음극소재의전기화학적특성 21 4. 결론 본연구에서는 SBA-15의마그네슘열환원반응으로 38.18 nm의메조기공이형성된실리콘을제조한후페놀레진과 3wt%, 7wt%, 11 wt% 의 CNT와합성하여 Silicon/Carbon/CNT 복합체를제조하였다. 제조된합성물을음극재로하여리튬이차전지를제조하고전기화학적특성을분석한결과, CNT의첨가량중 11 wt% 에서두번째사이클이후 83% 의가장우수한용량유지율을보였다. 임피던스분석결과 CNT 함량이증가할수록 250 ohm에서 27.9 ohm까지전극의 Rct값이급격하게감소하는것으로보아 CNT가전기전도도를높이고전극의파괴를방지하여사이클안정성을향상시키는것을확인하였다. 감 본연구는연구개발특구진흥재단의 2015 년 이차전지용탄소계음극재제품화사업 지원사업으로수행되었으며, 이에감사드립니다. 사 References 1. Ko, H. S., Choi, J. E. and Lee, J. D., Electrochemical Characteristics of Hybrid Capacitor using Core-shell Structure of MCMB/ Li 4 Ti 5 O 12 Composite, Korean Chemical Engineering Research, 52, 52-57 (2014). 2. Jeon, B. J., Kang, S. W. and Lee, J. K., Electrochemical Characteristics of Silicon Coated Graphite Prepared by Gas Suspension Spray Method for Anode Material of Lithium Secondary Batteries, The Korean Journal of Chemical Engineering, 23, 854-859(2006). 3. Pan, L. I., Wang, H., Gao, D., Chen, S., Tan, L. and Li, L., Facile Synthesis of Yolk-Shell Structured Si-C Nanocomposites as Anode for Lithium-ion Batteries, The Royal Society of Chemistry, 50, 5878-5880(2014). 4. Zhou, X. Y., Tang, J. J., Yang, J., Xie, J. and Ma, L. L., Silicon @carbon Hollow Core-shell Heterostructures Novel Anode Materials for Lithium Ion Batteries, Electrochimica Acta, 87, 663-668 (2013). 5. Wen, Z., Lu, G., Mao, S., Kim, H., Cui, S., Yu, K., Huang, X., Hurley, P. T., Mao, O. and Chen, J., Silicon Nanotube Anode for Lithium-ion Batteries, Electrochemistry Communications, 29, 67-70 (2013). 6. Yim, T., Choi, S. J., Jo, Y. N., Kim, T. H., Kim, K. J., Jeong, G. and Kim, Y. J., Effect of Binder Properties on Electrochemical Performance for Silicon-graphite Anode : Method and Application of Binder Screening, Electrochimica Acta, 136, 112-120(2014). 7. Li, H., Lu, C. and Zhang, B., A Straight Approach Towards Si@C/Graphene Nanocomposite and Its Superior Lithium Storage Performance, Electrochimica Acta, 120, 96-101(2014). 8. Liu, Y., Wen, Z. Y., Wang, X. Y., Hirano, A., Imanishi, N. and Takeda, Y., Electrochemical Behaviors of Si/C Composite Sythesized from F-containing Precursors, Journal of Power Sources, 189, 733-737 (2009). 9. Cetinkaya, T., Guler, M. O. and Akbulut, H., Enhancing Electrochemical Performance of Silicon Anodes by Dispersing MWCNTs Using Planetary Ball Milling, Microelectronic Engineering, 108, 169-176(2013). 10. Su, M., Wang, Z., Guo, H., Li, X., Huang, S. and Gan, L., Silicon, Flake Graphite and Phenolic Resin-Pyrolyzed Carbon Based Si/C Composites as Anode Material for Lithium-ion Batteries, Advanced Power Technology, 24, 921-925(2013). 11. Zhao, D., Feng, J., Huo, Q., Melosh, N., Fredrickson, G. H., Chmelka, B. F. and Stucky, G. D., Triblock Copolymer Synthesis of Mesoporous Silica with Periodic 50 to 300 Angstrom Pores, American Associatin for the Advancement of Science, 279, 548 (1998). 12. Wang, Y., Zhang, F., Wang, Y., Ren, J., Li, C., Liu, X., Guo, Y., Guo, Y. and Lu, G., Synthesis of Length Controllable Mesoporous SBA-15 Rods, Materials Chemistry and Physics, 115, 649-655 (2009). 13. Park, J. Y., Jung, M. Z. and Lee, J. D., Electrochemical Characteristics of Silicon/Carbon Composites for Anode Material of Lithium Ion Battery, Applied Chemistry Engineering, 26, 80-85(2015). 14. Li, H. H., Wang, J. W., Wu, X. L., Sun, H. Z., Yang, F. M., Wang, K., Zhang, L. L., Fan, C. Y. and Zhang, J.-P., A Novel Approach to Prepare Si/C Nanocomposites with Yolk-shell Structures for Lithium Ion Batteries, The Royal Society of Chemistry, 4, 36218-36225(2014).