Lithium-ion batteries have been widely used as power sources for portable electronic devices such as cellular phones, digital cameras, and laptop computers in the past few decades. Recently, with the concern about environmental pollution and a spike in oil prices, much attention has been devoted to the large-scale lithium-ion batteries for electric vehicles (EV) and energy storage systems (ESS). Silicon is the most promising anode material for these future applications owing to its high specific capacity (4200 mA h g-1), low cost, and safety. However, the practical use of silicon anode has been impeded by several limitations. First, silicon experiences volume expansion by up to 300 % upon lithium insertion, which leads to the pulverization of active material and the disruption of solid electrolyte interphase (SEI) layer. It is well known that a SEI layer formed on silicon surface plays a critical role in achieving good cycle stability. Second, silicon shows poor rate capability due to its intrinsically low electronic conductivity. To overcome these limitations, many researchers have introduced effective SEI-forming electrolyte additives and conductive carbon coatings.
In this work, silicon nanoparticles encapsulated with nitrogen-doped carbon (Si@N-C) was prepared and applied as an anode material. The nitrogen functionalities within the carbon lattice not only increase the electronic conductivity but also enhance the affinity to lithium ions. In addition, nitrogen-doped carbon actively reacts with fluoroethylene carbonate (FEC), which is one of the effective SEI-forming additives, results in a stable SEI layer. The effect of nitrogen-doped carbon on the electrochemical properties of silicon anodes was identified using galvanostatic charge/discharge tests. To explain the enhanced performance of Si@N-C anode, various techniques such as SEM, TEM, TGA, XPS, and EIS were conducted.
리튬 이온전지는 높은 에너지 밀도와 출력 특성, 긴 수명과 안정성 등 뛰어난 성능으로 인해 모바일 기기용 에너지 저장 시스템으로 널리 사용되고 있다. 최근 환경 오염과 유가 급등의 위기 속에서 전기자동차와 에너지저장시스템 (ESS, Energy Storage System)을 위한 중대형 전지에 대한 수요가 증가하고 있다. 이에 따라 기존보다 더 높은 에너지 밀도와 빠른 충전 속도, 낮은 가격을 만족하는 리튬 이온전지 전극 소재에 대한 연구가 진행되고 있다. 다양한 음극 물질들 중에서 실리콘 음극이 상용화된 흑연 음극에 비해 10배 이상 높은 이론용량(4200 mA h g-1)으로 인해 차세대 음극물질로 주목을 받고 있다. 또한 실리콘은 지구상에 자원이 풍부하게 존재하며, 가격이 싸고, 안정성이 높다는 장점을 가지고 있다. 하지만 이러한 장점들에도 불구하고 실리콘 음극의 낮은 용량 유지 특성과 출력 특성으로 인해 상용화가 어려운 상황이다.
본 연구에서는 실리콘 음극의 성능을 향상시키기 위해 실리콘 나노입자의 표면에 질소 도핑된 카본 코팅을 도입하였다. 카본 코팅은 실리콘 음극의 부피 변화를 완화해주고 전자가 빠르게 이동할 수 있는 경로를 제공하기 때문에 실리콘 음극에 널리 사용되고 있다. 이러한 카본 물질에 질소가 도핑될 경우 전기전도도가 더욱 향상될 뿐만 아니라 전해질 첨가제인 FEC와의 반응성이 증가하여 음극 표면에 안정한 SEI(Solid Electrolyte Interphase) layer를 형성한다. 충방전 시험을 통해 질소 도핑된 카본으로 코팅한 실리콘 음극이 일반 카본 코팅을 한 실리콘 음극에 비해 용량 구현과 출력 특성이 모두 우수함을 확인하였다. 또한 여러 사이클의 충방전 시험 이후 표면분석을 통해 기계적 물성이 뛰어난 LiF가 다량 포함된 SEI layer가 형성되었음을 알 수 있었다.
