본 연구에서는 PFO (pyrolyzed fuel oil)를 이용해 탄소 전구체(피치)를 얻은 후 KOH와 $K_2CO_3$를 이용한 화학적 활성화를 통해 표면 개질한 카본의 전기화학적 특성을 분석하였다. 탄소 전구체는 3903, 4001, 4002의 세 종류를 사용하였으며, 각 각 PFO를 $390^{\circ}C$ 3 시간, $400^{\circ}C$ 1시간, $400^{\circ}C$ 2 시간 열처리 하여 제조하였다. 또한 화학적 활성화 실험은 활성 촉매의 종류, 교반시간 등을 변화시키면서 비표면적 및 기공크기 등의 물성이 전기화학적 특성에 미치는 효과를 조사 하였다. 제조된 표면개질 PFO 피치의 물리적 특성은 BET, FE-SEM 등을 통해 분석되었으며, 음극 소재로서의 전기 화학적 성능은 충 방전, 순환전압전류, 임피던스, 속도 테스트를 통해 조사되었다. 화학적 활성화법을 이용해 제조한 카본의 평균 기공크기는 22 nm, 비표면적은 $3.12m^2/g$의 결과를 얻었다. 세 가지 개질된 석유계 피치를 음극소재로 사용하여 조사된 전기화학적 특성은 4001 피치가 가장 우수한 것으로 나타났으며, 이 때 표면개질 조건은 KOH를 사용하여 2시간 교반 후 화학적 활성화법에 의하여 열처리 하였다. KOH를 이용한 표면개질 PFO 피치를 사용해 제조한 전지의 초기 용량은 318 mAh/g, 초기효율은 80%로 우수한 결과를 보였으며, 2C/0.1C 속도 테스트 특성은 92%로 높은 특성을 보였다.
In situ nitrogen doped hard carbon nanotubes (NHCNT) were fabricated by pyrolyzing tubular nitrogen doped conjugated microporous polymer. KOH activated NHCNT (K-NHCNT) were also prepared to improve their porous structure. XRD, SEM, TEM, EDS, XPS, Raman spectra, $N_2$ adsorption-desorption, galvanostatic charging-discharge, cyclic voltammetry and EIS were used to characterize the structure and performance of NHCNT and K-NHCNT. XRD and Raman spectra reveal K-NHCNT own a more disorder carbon. SEM indicate that the diameters of K-NHCNT are smaller than that of NHCNT. TEM and EDS further indicate that K-NHCNT are hollow carbon nanotubes with nitrogen uniformly distributed. $N_2$ adsorption-desorption analysis reveals that K-NHCNT have an ultra high specific surface area of $1787.37m^2g^{-1}$, which is much larger than that of NHCNT ($531.98m^2g^{-1}$). K-NHCNT delivers a high reversible capacity of $918mAh\;g^{-1}$ at $0.6A\;g^{-1}$. Even after 350 times cycling, the capacity of K-NHCNT cycled after 350 cycles at $0.6A\;g^{-1}$ is still as high as $591.6mAh\;g^{-1}$. Such outstanding electrochemical performance of the K-NHCNT are clearly attributed by its superior characters, which have great advantages over those commercial available carbon nanotubes ($200-450mAh\;g^{-1}$) not only for its desired electrochemical performance but also for its easily and scaling-up preparation.
Kim, Byung Gon;Shin, Weon Ho;Lim, Soo Yeon;Kong, Byung Seon;Choi, Jang Wook
Journal of Electrochemical Science and Technology
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제3권3호
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pp.116-122
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2012
As an effort to address the chronic capacity fading of Si anodes and thus achieve their robust cycling performance, herein, we develop a unique electrode in which silicon nanoparticles are embedded in the carbon nanotubes network. Utilizing robust contacts between silicon nanoparticles and carbon nanotubes, the composite electrodes exhibit excellent electrochemical performance : 95.5% capacity retention after 140 cycles as well as rate capability such that at the C-rate increase from 0.1C to 1C to 10C, the specific capacities of 850, 698, and 312 mAh/g are obtained, respectively. The present investigation suggests a useful design principle for silicon as well as other high capacity alloying electrodes that undergo large volume expansions during battery operations.
Lithium-ion battery (LIB) is one of the most important rechargeable battery and portable energy storage for the electric digital devices. In particular, study about the higher energy capacity and longer cycle life is intensively studied because of applications in mobile electronics and electric vehicles. Generally, the LIB's capacity can be improved by replacing anode materials with high capacitance. The graphite, common anode materials, has a good cyclability but shows limitations of capacity (~374 mAh/g). On the contrary, silicon (Si) and germanium(Ge), which is same group elements, are promising candidate for high-performance LIB electrodes because it has a higher theoretical specific capacity. (Si:4200 mAh/g, Ge:1600 mAh/g) However, it is well known that Si volume change by 400% upon full lithiation (lithium insertion into Si), which result in a mechanical pulverization and poor capacity retention during cycling. Therefore, variety of nanostructure group IV elements, including nanoparticles, nanowires, and hollow nanospheres, can be promising solution about the critical issues associated with the large volume change. However, the fundamental research about correlation between the composition and structure for LIB anode is not studied yet. Herein, we successfully synthesized various structure of nanowire such as Si-Ge, Ge-Carbon and Si-graphene core-shell types and analyzed the properties of LIB. Nanowires (NWs) were grown on stainless steel substrates using Au catalyst via VLS (Vapor Liquid Solid) mechanism. And, core-shell NWs were grown by VS (Vapor-Solid) process on the surface of NWs. In order to characterize it, we used FE-SEM, HR-TEM, and Raman spectroscopy. We measured battery property of various nanostructures for checking the capacity and cyclability by cell-tester.
KIEE International Transactions on Electrophysics and Applications
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제3C권5호
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pp.189-193
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2003
Initial irreversible capacity (IIC) can be defined by means of the initial intercalation Ah efficiency (IIE) and the initial irreversible specific capacity at the surface (IICs) with the linear-fit range of the intercalation so as to precisely express the irreversibility of an electrode-electrolyte system. Their relationship was IIC = Qc - Q$_{D}$ = (IIE$^{-1}$ - 1) Q$_{D}$ + IICs in the linear-fit range of IIE. Here, Qc and Qd signify charge and discharge capacity, respectively, based on a complete lithium ion battery cell. Charge indicates lithium insertion to carbon anode. Two terms of IIE and IICs depended on the types of active materials and compositions of the electrode and electrolyte but did not change with charging state. In an ideal electrode-electrolyte system, IIE and IICs would be 100%, 0 mAh/g for the electrode and mAh for the cell, respectively. These properties can be easily obtained by the Gradual Increasing of State of Charge (GISOC).OC).
In this study, several kinds of active carbons with high specific surface area and micro pore structure were prepared from the coconut shell charcoal using chemical activation method. The physical property of prepared active carbon was investigated by experimental variables such as activating chemical agents to char coal ratio, flow rate of inert gas and temperature. It was shown that chemical activation with KOH and NaOH was successfully able to make active carbons with high surface area of $1900{\sim}2500m^2/g$ and mean pore size of 1.85~2.32 nm. The coin cell using water-based binder in the electrolyte of LiPF6 dissolved in mixed organic solvents (EC:DMC:EMC=1:1:1 vol%) showed better capacity than that of oil-based binder. Also, it was found that the coin cell of water-based binder shows an improved cycling performance and coulombic efficiency.
수명특성이 우수한 실리콘 음극재를 제조하기 위해 졸겔법을 통해 $SiO_x/ZnO$ 복합체를 제조하였고, 제조된 복합체는 PVC를 탄소 전구체로 하여 탄소를 피복하였다. 복합체에 포함된 ZnO를 HCl로 제거하여 내부에 빈 공간을 만들어 충 방전에 따른 실리콘의 부피변화를 완화할 수 있게 하였다. 합성된 복합체의 결정구조와 형상을 파악하기 위해 XRD, SEM, TEM 분석을 실시하였다. 탄소 피복된 복합체에 포함된 탄소함량을 TGA를 통해 알아보았으며, 복합체의 기공구조를 확인하기 위해 BET 비표면적 분석과 BJH 기공분포를 확인하였다. 탄소의 추가로 향상된 전기전도성을 측정하였으며, 전기화학적 특성은 AC 임피던스 측정과 충 방전 및 수명특성을 확인하였다. $SiO_x/ZnO$시료에 탄소를 피복할 경우에 전기전도도가 증가하였으며, 방전용량도 증가하였다. 염산으로 ZnO를 제거한 시료의 경우에 표면적은 증가하였으나, 전지의 방전용량은 오히려 감소하였다. 탄소를 피복하지 않은 $SiO_x/ZnO$ 시료의 경우에 방전용량이 매우 낮았으며, 탄소를 피복한 후의 시료는 높은 충방전용량을 나타내었다. 수명특성의 경우, $C-SiO_x/ZnO$ 복합체(Zn : Si : C = 1 : 1 : 8)가 0.2 C의 전류량에서 50 사이클에서 $815mAh\;g^{-1}$의 용량으로 기존 흑연계 음극재보다 높은 용량을 나타내었다.
Injun Jeon;Jin Hyun Hwang;Tae Gyun Kim;Linghong Yin;Hyung Woo Lee;Jong Pil Kim;Hyung Soo Ahn;Chae Ryong Cho
Journal of Ceramic Processing Research
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제22권2호
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pp.192-199
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2021
Peony flower-like γ-Ga2O3 nanosheets (γ-Ga2O3 NSs) were synthesized and carbon layers were coated on their surfaces using a simple hydrothermal process with subsequent carbonization. The γ-Ga2O3 NSs comprised ultrathin layers, which are tens of nanometers in thickness. The carbon-coated γ-Ga2O3 NS (γ-Ga2O3@C NS) electrode exhibited a specific capacity of 598 mAh g-1 at 200 cycles, at a current density of 0.5 A g-1, higher than that of γ-Ga2O3 NSs (60 mAh g-1). Furthermore, a specific capacity of 100 mAh g-1 at 5 A g-1 was achieved owing to the low charge transfer resistance through the carbon layers. This study suggests that two-dimensional γ-Ga2O3@C NSs with both large specific area and high charge carrier transport are promising active materials for lithium-ion battery anodes with better electrochemical performance.
본 연구에서는 여러 종류의 식물성 바이오매스 폐기물을 리튬이온전지용 음극활물질로 재활용하고자 하였다. 수거한 바이오매스는 세척 및 분쇄 후 질소 환경(850℃)으로 탄화하였으며, 이를 FE-SEM, EDS, FT-IR을 사용하여 물리·화학적 특성을 비교하였다. 바이오매스 기반의 탄소 전구체로 왕겨, 밤껍질, 녹차 티백, 커피 폐기물을 사용했으며, 전구체의 성분에 따라 형태 및 탄소화 정도의 차이가 발생함을 확인하였다. 바이오매스 폐기물로 제조된 탄소를 음극재로 활용하여 전기화학 성능을 비교한 결과 각각 65.8, 80.2, 90.6, 104.7mAh g-1의 방전용량을 나타내었으며, 커피 폐기물을 전구체로 제조한 탄소가 가장 높은 방전용량을 나타내었다. 이는 바이오매스의 원소 조성 및 구성성분 차이로 인해 탄화 정도가 달라지기 때문이다. 최종적으로, 환경오염을 유발하는 다양한 식물성 바이오매스를 탄화를 통해 효과적인 에너지 저장매체로 활용할 수 있는 가능성을 제시하였다.
Si-C composites were prepared by the carbonization of polyaniline (PAn) coated on silicone powder. The physical and electrochemical properties of the Si-C composites were characterized by particle-size analysis, X-ray diffraction, scanning electron microscopy, and battery electrochemical tests. The average particle size of Si was increased by the coating of Pan but somewhat reduced by the carbonization to give silicone-carbon composites. The co-existence of crystalline silicone and amorphous-like carbon was confirmed by XRD analyses. SEM photos showed that the silicone particles were well covered with carbonaceous materials, depending on the PAn content. Si-C$\mid$Li cells were fabricated using the Si-C composites and tested using galvanostatic charge-discharge. Si-C$\mid$Li cells gave better electrochemical properties than Si|Li cells. Si-C$\mid$Li cells using Si-C from HCl-undoped precursor PAn showed better electrochemical properties than precursor PAn doped in HCl. The addition of an electrolyte containing 4-fluoroethylene carbonate (FEC) increased the initial discharge capacity. Also, another electrochemical test, the galvanostatic charge-discharge test with GISOC (gradual increasing of the state of charge) was carried out. Si-C(Si:PAn = 50:50 wt. ratio)|Li cell showed 414 mAh/g of reversible specific capacity, 75.7% of IIE (initial intercalation efficiency), 35.4 mAh/g of IICs (surface irreversible specific capacity).
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[게시일 2004년 10월 1일]
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