Nanostructured silicon based anode materials are attractive alternative for improving the lithium storage properties. However, capacity fading mechanisms are cannot avoidable because of low electronic conductivity and large volume changes of silicon based anode materials. Nevertheless, simple synthesis method for stable silicon nanostructures still remains as a challenge. Composite powder of the Si- SiO$_x$ -C were prepared by a one-pot synthetic process via spray pyrolysis, by adding citric acid to a precursor solution containing sodium hydroxide(NaOH) and silicon nanoparticles(SiNPs). Different ratio of Si and SiO$_x$ can be prepared by control of SiNP etching time with NaOH. Structure characteristic analysis indicates that the SiNPs were embedded in SiOx matrix which is buffer layer for the volume expansion, and mesoporous carbon covered individual Si- SiO$_x$ particle. The mesopores existing in the carbon and SiO$_x$ matrix accommodates the volume expansion of silicon and thus capacity fading mechanisms can be improved. The first discharge capacity and initial Coulombic efficiency of the Si- SiO$_x$ -C were 1572mAh g$^{-1}$ and 76.5%. After 200 cycle at 1C, 1034.6 mAh g$^{-1}$(i.e., 1333.6 mAh g$^{-1}$) is maintained, and average Coulombic efficiency is 99.87%. This study suggests that simple spray pyroysis methods could be adaptable for Si- SiO$_x$ -C nanocomposites synthesis as anode materials of lithium-ion batteries.
나노 구조를 기반으로 한 실리콘 음극재료는 리튬이차전지의 특성을 개선하기 위한 매력적인 대안이다. 그러나 실리콘 기반의 음극재료 물질의 부피 변화로 인해 용량 감소 매커니즘과 낮은 전자 전도성 문제가 불가피하다. 그럼에도 불구하고, 안정한 실리콘 나노 구조체를 위한 간단한 합성법은 여전히 중요한 도전과제로 남아있다. Si-SiO$_x$-C 복합체를 수산화나트륨과 실리콘 나노입자를 포함하는 전구체 용액에 시트르산을 첨가하여 분무열분해를 통해 원팟 합성 공정으로 합성하였다. 실리콘과 실리콘옥사이드의 비율은 수산화나트륨으로 에칭하는 시간을 통해 조절할 수 있다. 구조 분석을 통해 실리콘 나노입자는 팽창을 완충시키는 실리콘 옥사이드 매트릭스에 매립되어 있고, 메조 포러스한 탄소가 개개의 실리콘-실리콘 옥사이드 복합체를 덮고있다는 것을 확인할 수 있었다. 포러스한 탄소 및 실리콘 모녹사이드 매트릭스에 존재하는 메조 기공을 통해 실리콘의 부피팽창을 완화시킬 수 있었고, 따라서 용량감소 현상을 개선 할 수 있었다. Si-SiO$_x$-C의 초기 용량은 1572mAh/h이 었다. 1C에서 200사이클 이후에도 1034.6mAh/g을 유지하였다. 이 연구는 간단한 분무열분해를 통해 리튬이차전지의 음극 재료로서 Si-SiO$_x$-C 나노 복합체 합성이 가능하다는 것을 제시하였다.
