As the market of electric vehicle(EV) is expected to grow huge in the future, the battery loaded on EV has the direction to get improved capacity and power. Thus, silicon anodes have developed for it’s the highest capacity. But the volume expansion of silicon during charging and discharging is up to 250%, which results in the poor cycle life. And it has the barrier like low power performance from low conductivity. That’s why the many researchers are studying on the composite of silicon and carbon for relieving volume expansion and increasing conductivity. Previous researches still have the problems including exposed surface of silicon to electrolyte leading low conductivity and cycle life.
In this study, silicon nanoparticles are coated by polyethylene glycol (PEG) while they are dispersing via citric acid. The specialty of this work is that the dispersed coating makes sili-con nanoparticles keep its nanosize leading relieved volume expansion. In addition to this, the condensed coating from PEG makes more stable SEI layer leading enhanced cycle stability (800mAh/g @ 70cycles, 98% coulombic efficiency) and conductivity between particles leading power performance. As the result of AC impedance, the surface resistance of silicon after dispersed coating was reduced, which has agreement with electrochemical results. This method is applicable to another electrode materials suffering from their volume change. And it has advantages on scale up and economic feasibility compared to previous CVD method for nanoparticles coating.
향후 전기 자동차 시장의 규모가 커질 것으로 예상되고 있는 가운데, 전기자동차에 탑재되는 전지는 보다 더 고출력과 고용량화의 방향으로 개발되어야 한다. 그리하여 이론적 용량이 가장 큰 음극으로 알려진 실리콘의 개발이 진행되고 있는데, 리튬 충방전시의 부피변화가 300%에 달하여 전지의 수명안정성 문제가 있고 또한 실리콘의 전도성이 낮아 고출력을 얻지 못하고 있는 실정이다. 이에 많은 연구자들이 실리콘의 부피팽창을 완화하고 전도성을 높이는 목적으로 실리콘-탄소 복합체에 대한 연구를 진행해왔다. 기존의 연구들은 carbon particle, carbon nano-tube, graphene 등의 다양한 탄소구조체로 실리콘을 코팅하지만, 전해질에 실리콘이 노출되는 부분이 존재하고, 탄소의 양이 실리콘에 비해 많아 중량당 용량이 실리콘에 비해 많이 낮았다.
이 연구에서는, 시트르산과 폴리에틸렌 글리콜(PEG)을 통해 분산 코팅한 실리콘 나노입자- 그라핀 복합체를 합성하였다. 이 연구의 특징은 분산 코팅을 통해 코팅 후에도 입자를 나노 크기로 유지함으로써 실리콘의 부피팽창율을 근본적으로 줄였으며, 입자간 계면 저항을 낮춘 것이다. 그리하여 PEG 분산 코팅된 실리콘나노입자-그라핀 복합체는 사이클 안정성이 향상되었으며(739mAh/g @ 100 사이클, 쿨롱효율98%), 고 전류밀도에서 용량을 유지함으로써 파워출력 또한 향상되었다. 임피던스 분석을 통해, 실리콘 입자표면의PEG코팅이 SEI층의 저항 및 실리콘 입자 표면의 저항을 낮춘 것을 확인하였다. 이는 향상된 수명 특성 및 파워특성을 뒷받침한다. 시트르산과 PEG를 이용한 분산코팅은 부피팽창이 큰 다른 전극물질에 적용이 가능하며, 기존의 나노 입자를 코팅해왔던 기존의 CVD 공정보다 더 간단하며 경제성이 있다.
