A variety of silicon (Si) nanostructures and their complex composites have been lately introduced in the lithium ion battery community to address the large volume changes of Si anodes during their repeated charge-discharge cycles. Nevertheless, for large-scale manufacturing, it is more desirable to use commercial Si nanoparticles with simple surface coating. Most conductive coating materials, however, do not accommo-date the volume expansion of the inner Si active phases and resultantly fracture during cycling. To overcome this chronic limitation, herein, we report silicon oxycarbide (SiOC) glass as a new coating material for Si na-noparticle anodes. The SiOC glass phase can expand to some extent due to its active nature in reacting with Li ions and can therefore accommodate the volume changes of the inner Si nanoparticles without disintegration or fracture. The SiOC glass also grows in the form of nanocluster to bridge Si nanoparticles, thereby contrib-uting to the structural integrity of secondary particles during cycling. Based on these combined effects, the SiOC-coated Si nanoparticles reach a high reversible capacity of 2093 mAh g-1 with 92% capacity retention after 200cycles. Furthermore, the coating and subsequent secondary particle formation were produced by high-speed spray pyrolysis based on a single precursor solution.
실리콘은 음극 활물질 중 가장 높은 이론 용량 (4200 mAh/g)을 지니고 있어 탄소계 물질의 뒤를 이을 차세대 음극 소재로 각광 받고 있다. 그러나 실리콘은 충-방전 과정 시 큰 부피 변화를 야기하여 분쇄, 불안정한 고체-전해액 계면 형성과 같은 퇴화 거동에 의해 사이클 특성이 나빠지는 문제점이 있다. 상기 단점을 극복하기 위해 나노 구조화 및 탄소 복합체 형성 등을 시도하고 있지만 여전히 미해결의 과제로 남아있다.
이에 본 연구는 상용화 가능한 분무 열분해 공정을 통해 실리콘 옥시카바이드 글라스를 실리콘 나노 입자에 코팅하여 복합체 형성을 통해 상기 문제점을 해결하였다. 실리콘 옥시카바이드 글라스는 충-방전 과정 시 실리콘과 함께 부피 변화 과정을 통해 완충 역할을 할 뿐만 아니라, 형태가 붕괴되지 않고 유지되어 안정적인 사이클 특성을 갖는다. 이와 더불어 상기 전기화학적 성능이 우수한 이유를 ex-situ 분석기술을 통해 명확히 규명하였다.
