• 제목/요약/키워드: Si thin film anode electrode

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Evaluations of Si based ternary anode materials by using RF/DC magnetron sputtering for lithium ion batteries

  • 황창묵;박종완
    • 한국진공학회:학술대회논문집
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    • 한국진공학회 2010년도 제39회 하계학술대회 초록집
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    • pp.302-303
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    • 2010
  • Generally, the high energy lithium ion batteries depend intimately on the high capacity of electrode materials. For anode materials, the capacity of commercial graphite is unlike to increase much further due to its lower theoretical capacity of 372 mAhg-1. To improve upon graphite-based negative electrode materials for Li-ion rechargeable batteries, alternative anode materials with higher capacity are needed. Therefore, some metal anodes with high theoretic capacity, such as Si, Sn, Ge, Al, and Sb have been studied extensively. This work focuses on ternary Si-M1-M2 composite system, where M1 is Ge that alloys with Li, which has good cyclability and high specific capacity and M2 is Mo that does not alloy with Li. The Si shows the highest gravimetric capacity (up to 4000mAhg-1 for Li21Si5). Although Si is the most promising of the next generation anodes, it undergoes a large volume change during lithium insertion and extraction. It results in pulverization of the Si and loss of electrical contact between the Si and the current collector during the lithiation and delithiation. Thus, its capacity fades rapidly during cycling. Si thin film is more resistant to fracture than bulk Si because the film is firmly attached to the substrate. Thus, Si film could achieve good cycleability as well as high capacity. To improve the cycle performance of Si, Suzuki et al. prepared two components active (Si)-active(Sn, like Ge) elements film by vacuum deposition, where Sn particles dispersed homogeneously in the Si matrix. This film showed excellent rate capability than pure Si thin film. In this work, second element, Ge shows also high capacity (about 2500mAhg-1 for Li21Ge5) and has good cyclability although it undergoes a large volume change likewise Si. But only Ge does not use the anode due to its costs. Therefore, the electrode should be consisted of moderately Ge contents. Third element, Mo is an element that does not alloys with Li such as Co, Cr, Fe, Mn, Ni, V, Zr. In our previous research work, we have fabricated Si-Mo (active-inactive elements) composite negative electrodes by using RF/DC magnetron sputtering method. The electrodes showed excellent cycle characteristics. The Mo-silicide (inert matrix) dispersed homogeneously in the Si matrix and prevents the active material from aggregating. However, the thicker film than $3\;{\mu}m$ with high Mo contents showed poor cycling performance, which was attributed to the internal stress related to thickness. In order to deal with the large volume expansion of Si anode, great efforts were paid on material design. One of the effective ways is to find suitably three-elements (Si-Ge-Mo) contents. In this study, the Si based composites of 45~65 Si at.% and 23~43 Ge at.%, and 12~32 Mo at.% are evaluated the electrochemical characteristics and cycle performances as an anode. Results from six different compositions of Si-Ge-Mo are presented compared to only the Si and Ge negative electrodes.

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Carbon Film 전기적 특성 (Characteristics of Carbon Thin Film Using Electrochemical Method)

  • 이상헌;최용
    • 대한전기학회:학술대회논문집
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    • 대한전기학회 2007년도 Techno-Fair 및 추계학술대회 논문집 전기물성,응용부문
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    • pp.126-127
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    • 2007
  • In this study, the fabrication technique of a plannar field emission structure with DLC were studied Electric properties of carbon film on silicon substrate in methanol solution was carried out with various current density, solution temperature and electrode spacing between anode and cathode. The DLC film deposited on the Si substrate, plannar $SiO_2$ was obtained due to the shape of bottom electrode.

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Adhesion Layer 사용으로 인한 Si Thin Film Anode 전극의 신뢰성 향상

  • 오민섭;송영학;우창수;정준호;현승민;이후정
    • 한국진공학회:학술대회논문집
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    • 한국진공학회 2013년도 제44회 동계 정기학술대회 초록집
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    • pp.681-682
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    • 2013
  • 전기는 우리 주변의 에너지 형태 중에서 가장 편리하고 광범위하게 사용되고 있다. 이러한 전기는 전자제품, 전기자동차, 에너지 저장 플랜트 등 매우 많은 분야에서 저장되고 사용되고 있다. 특히 에너지 저장 용량의 확대는 휴대폰, 노트북 PC 등 휴대용 IT 기기의 성장에 결정적인 역할을 하였다. 가볍고 작으면서도 고용량의 전기 에너지 저장 장치가 없었다면, 통신이나 인터넷 그리고 오락 등 다양한 기능을 작은 휴대용 기기에 구현할 수 없었을 것이다. 그러나 시간이 흐를수록 기기의 요구 성능이 높아지고 소비자의 니즈가 더욱더 다양해지고 고도화될수록 단일 부품으로 가장 큰 부피를 차지하는 에너지 저장 장치의 용량과 디자인은 점점 중요해지고 있다. 이러한 에너지 저장 장치에서 가장 친숙한 형태는 2차 전지 계열이다. 납 축전지를 비롯하여, 니켈수소, 니켈카드뮴, electrochemical capacitor와 Li ion 계열 등이 대표적이다. 특히 Li ion 배터리는 모바일, 자동차 및 에너지 저장 그리드 등과 같은 다양한 분야에 가장 많이 적용되고있다. Li ion 배터리에 대하여 현재의 핵심적인 연구분야는 전극 재료(cathode, anode)와 electrolyte에 대한 것이다. Anode 전극 재료 중에서 가장 많이 사용되는 재료는 카본을 기반으로 하는 재료로 안정성에 대한 장점이 있지만 에너지 밀도가 낮다는 단점이 있다. 에너지 저장 용량 증가에 대한 필요성이 증가하기 때문에 현재 많이 사용되고 있는 에너지 밀도가 낮은 카본 재료를 대체하기 위해서 이론 용량이 높다고 알려진 실리콘과 같은 메탈이나 주석 산화물과 같은 천이 금속 산화물에 대하여 많은 연구가 진행되고 있다. 특히 현재까지 알려진 많은 재료 중에서 가장 큰 capacity (~4,000 mAh/g)를 가지고 있다고 알려진 실리콘이 카본의 대체 재료로 많은 연구가 진행되고 있다. 그러나, Li 과 반응을 하며 약 300~400%에 달하는 부피팽창이 발생하고, 이러한 부피 팽창 때문에 충 방전이 진행됨에 따라 current collector로부터 박리되는 현상을 보여 빠른 용량 감소를 보여주고 있다. 본 연구에서는 adhesion layer를 current collector와 실리콘 전극 재료 사이에 삽입하여 충 방전 시 부피팽창에 의한 미세구조의 변화와 electrochemical 특성에 대한 영향을 알아보았다. 실험에 사용한 anode 전극은 상용 Cu foil current collector에 RF/DC magnetron 스퍼터링을 통해 다양한 종류(Ti, Ta 등)의 adhesion layer과 200 nm 두께의 Si 박막을 증착하였다. 또한 Bio-logic Potentiostat/ Galvanostat VMP3 와 WanAtech automatic battery cycler 장비를 사용하여 0.2 C-rate로 half-cell 타입의 코인 셀로 조립한 전극에 대한 충 방전 실험을 진행하였다. Adhesion layer의 사용으로 인해 실리콘 박막과 Cu current collector 사이의 박리 현상을 줄여줄 수 있었고, 충 방전 시 Cu 원자의 실리콘 박막으로의 확산을 통한 brittle한 Cu-Si alloy 형성을 막아 줄 수 있어 큰 특성 향상을 확인할 수 있었다. 또한, 리튬과 실리콘의 반응을 통한 형태와 미세구조 변화를 SEM, TEM 등의 다양한 장비를 사용하여 확인하였고, 이를 통해 adhesion layer의 사용이 전극의 특성향상에 큰 영향을 끼쳤다는 것을 확인할 수 있었다.

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PECVD법으로 구리 막 위에 증착된 실리콘 박막의 이차전지 음전극으로서의 전기화학적 특성 (Electrochemical Characteristics of the Silicon Thin Films on Copper Foil Prepared by PECVD for the Negative Electrodes for Lithium ion Rechargeable Battery)

  • 심흥택;전법주;변동진;이중기
    • 전기화학회지
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    • 제7권4호
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    • pp.173-178
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    • 2004
  • 플라즈마 화학 기상 증착법으로 구리 막$(foil,\;35{\mu}m)$표면 위에 $SiH_4$와 Ar혼합가스를 공급하여 실리콘 박막을 증착 한 후 리튬 이온전지의 음극으로 활용하였다. 증착 온도에 따라 비정질 실리콘 박막과 copper silicide박막 형태의 다른 두 종류의 실리콘 박막 구조가 형성되는 것이 관찰되었다. $200^{\circ}C$ 이하의 온도에서는 비정질 실리콘 박막이 증착되었고, $400^{\circ}C$ 이상의 온도에서는 실리콘 라디칼과 확산된 구리 이온의 반응에 의한 그래뉼러 형태의 copper silicide박막이 형성되었다. 비정질 실리콘 박막은 copper silicide박막 보다 높은 용량을 나타냈으나 충·방전 반응에 의한 급격한 용량 손실을 나타냈다. 이것은 비정질 실리콘 박막의 부피 팽창에 의한 것으로 추정된다. 그러나 copper silicide 박막을 음극으로 사용했을 때는 copper silicide를 형성한 실리콘과 구리의 화학결합이 막 구조의 부피변화를 감소 시켜줄 뿐 아니라 낮은 전기 저항을 갖기 때문에 싸이클 특성이 향상되었다.

Electrochemical treatment of wastewater using boron doped diamond electrode by metal inter layer

  • KIM, Seohan;YOU, Miyoung;SONG, Pungkeun
    • 한국진공학회:학술대회논문집
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    • 한국진공학회 2016년도 제50회 동계 정기학술대회 초록집
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    • pp.251-251
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    • 2016
  • For several decades, industrial processes consume a huge amount of raw water for various objects that consequently results in the generation of large amounts of wastewater. Wastewaters are consisting of complex mixture of different inorganic and organic compounds and some of them can be toxic, hazardous and hard to degrade. These effluents are mainly treated by conventional technologies such are aerobic and anaerobic treatment and chemical coagulation. But, these processes are not suitable for eliminating all hazardous chemical compounds form wastewater and generate a large amount of toxic sludge. Therefore, other processes have been studied and applied together with these techniques to enhance purification results. These include photocatalysis, absorption, advanced oxidation processes, and ozonation, but also have their own drawbacks. In recent years, electrochemical techniques have received attention as wastewater treatment process that could be show higher purification results. Among them, boron doped diamond (BDD) attract attention as electrochemical electrode due to good chemical and electrochemical stability, long lifetime and wide potential window that necessary properties for anode electrode. So, there are many researches about high quality BDD on Nb, Ta, W and Si substrates, but, their application in effluents treatment is not suitable due to high cost of metal and low conductivity of Si. To solve these problems, Ti has been candidate as substrate in consideration of cost and property. But there are adhesion issues that must be overcome to apply Ti as BDD substrate. Al, Cu, Ti and Nb thin films were deposited on Ti substrate to improve adhesion between substrate and BDD thin film. In this paper, BDD films were deposited by hot filament chemical vapor deposition (HF-CVD) method. Prior to deposition, cleaning processes were conducted in acetone, ethanol, and isopropyl alcohol (IPA) using sonification machine for 7 min, respectively. And metal layer with the thickness of 200 nm were deposited by DC magnetron sputtering (DCMS). To analyze microstructure X-ray diffraction (XRD, Bruker gads) and field emission scanning electron microscopy (FE-SEM, Hitachi) were used. It is confirmed that metal layer was effective to adhesion property and improved electrode property. Electrochemical measurements were carried out in a three electrode electrochemical cell containing a 0.5 % H2SO4 in deionized water. As a result, it is confirmed that metal inter layer heavily effect on BDD property by improving adhesion property due to suppressing formation of titanium carbide.

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