Si/C/CNF composites as anode materials for lithium-ion batteries were examined to improve the capacity and cycle performance. Si/C/CNF composites were prepared by the fabrication process including the synthesis and magnesiothermic reduction of SBA-15 to obtain Si/MgO by ball milling and the carbonization of phenol resin with CNF and HCl etching. Prepared Si/C/CNF composites were then analysed by BET, XRD, FE-SEM and TGA. Among SBA-15 samples synthesized at reaction temperatures between 50 and $70^{\circ}C$, the SBA-15 at $60^{\circ}C$ showed the largest specific surface area. Also the electrochemical performances of Si/C/CNF composites as an anode electrode were investigated by constant current charge/discharge test, cyclic voltammetry and impedance tests in the electrolyte of LiPF6 dissolved in mixed organic solvents (EC : DMC : EMC = 1 : 1 : 1 vol%). The coin cell using Si/C/CNF composites (Si : CNF = 97 : 3 in weight) showed better capacity (1,947 mAh/g) than that of other composition coin cells. The capacity retention ratio decreased from 84% (Si : CNF = 97 : 3 in weight) to 77% (Si : CNF = 89 : 11 in weight). It was found that the Si/C/CNF composite electrode shows an improved cycling performance and electric conductivity.
$LiMO_{2}(M=Co,Ni)$ samples were synthesized with $Li_{2}CO_{3},\;Co_{3}O_{4}$, and NiO by the solid-state reaction method. In the case of $LiCoO_{2}$, at low temperature$(T=400^{\circ}C)$ spinel structure was synthesized and the obtained spinel phase was transformed to layered phase at high temperature$(T\ge600^{\circ}C)$. The phase transition behaviors of $LiCoO_{2}$ were investigated with various heating temperature and time. The rate of transition was directly proportional to the concentrations of reactant, and activation energy of reaction was around 6.76 kcal/mol. When CoO(rock salt structure) was used as a starting material instead of $Co_{3}O_{4}$(spinel structure), layered structure of $LiCoO_{2}$ was obtained at low temperature. In the case of $LiNiO_{2}$ the transition from layered structure to rock salt structure occurred easily by disordering/ordering reaction, but did not occur in $LiCoO_{2}$. The difference in metal ion radii in $LiCoO_{2}$ and $LiNiO_{2}$ results in different behaviors of phase transitions.
In this study, the electrochemical performance of Graphite/Silicon/Pitch composites as anode material was investigated to improve the low theoretical capacity of artificial graphite. Spherical artificial graphite surface was coated with polyvinylpyrrolidone (PVP) amphiphiles material to synthesize Graphite/Silica material by silica islands growth. The Graphite/Silicon/Pitch composites were prepared by petroleum pitch coating and magnesiothermic reduction. The Graphite/Silicon/Pitch composite electrodes manufactured using poly(vinylidene fluoride) (PVDF), carboxymethyl cellulose (CMC) and polyacrylic acid (PAA) binders. The coin type half cell was assembled using various electrolytes and additives. The Graphite/Silicon/Pitch composites were analysed by X-ray diffraction (XRD), scanning electron microscope (SEM) and a thermogravimetric analyzer (TGA). The electrochemical characteristics of Graphite/Silicon/Pitch composite were investigated by constant current charge/discharge, rate performance, cyclic voltammetry and electrochemical impedance spectroscopy. The Graphite/Silicon/Pitch composites showed high cycle stability at a graphite/silica/pitch ratio (1:4:8 wt%). When the electrode is prepared using PAA binder, the high capacity and stability is obtained. The coin type half cell assembled using EC: DMC: EMC electrolyte showed high initial capacity (719 mAh/g) and excellent cycle stability. The rate performance has an capacity retention (77%) at 2 C/0.1 C and an capacity recovery (88%) at 0.1 C / 0.1 C when the vinylene carbonate (VC) was added.
To improve the electrochemical performances of the cathode materials, boron-doped $LiNi_{0.90}Co_{0.05}Ti_{0.05}O_2$ were synthesized by using concentration gradient precursor. The characteristics of the prepared cathode materials were analyzed by XRD, SEM, EDS, PSA, ICP-OES and electrical conductivity measurement. The electrochemical performances were investigated by initial charge/discharge capacity, cycle stability, C-rate, cyclic voltammetry and electrochemical impedance spectroscopy. The cathode material with 0.5 mol% boron exhibited a capacity of 187 mAh/g (0.5 C) in a voltage range of 2.7~4.3 V(vs. $Li/Li^+$), and an capacity retention of 94.7% after 50 cycles. In the relatively high voltage range of 2.7~4.5 V(vs. $Li/Li^+$), it showed a high capacity of 200 mAh/g and capacity retention of 80.5% after 50 cycles.
Choi, Na Hyun;Kim, Eun Bi;Yeom, Tae Ho;Lee, Jong Dae
Korean Chemical Engineering Research
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v.60
no.3
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pp.327-333
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2022
In this study, silicon/carbon nanotube/carbon (Si/CNT/C) composites for anode were prepared to improve the volume expansion of silicon used as a high-capacity anode material. Si/CNT were prepared by electrostatic attraction of the positively charged Si and negatively charged CNT and then hydrothermal synthesis was performed to obtain the spherical Si/CNT/C composites. Poly(vinylidene fluoride) (PVDF), polyacrylic acid (PAA), and styrene butadiene rubber (SBR) were used as binders for electrode preparation, and coin cell was assembled using 1.0 M LiPF6 (EC:DMC:EMC = 1:1:1 vol%) electrolyte and fluoroethylene carbonate (FEC) additive. The physical properties of Si/CNT/C anode materials were analyzed using SEM, EDS, XRD and TGA, and the electrochemical performances of lithium-ion batteries were investigated by charge-discharge cycle, rate performance, dQ/dV and electrochemical impedance spectroscopy tests. Also, it was confirmed that both capacity and rate performance were significantly improved using the PAA/SBR binder and 10 wt% FEC-added electrolyte. It is found that Si/CNT/C have the reversible capacity of 914 mAh/g, the capacity retention ratio of 83% during 50 cycles and the rate performance of 70% in 2 C/0.1 C.
In this study, to improve capacity and cycle stability, the pitch coated nano silicon sheets/CNT composites were prepared through electrostatic bonding of nano silicon sheets and CNT. Silica sheets were synthesized by hydrolyzing TEOS on the crystal planes of NaCl, and then nano silicon sheets were prepared by using magnesiothermic reduction method. To fabricate the nano silicon sheets/CNT composites, the negatively charged CNT after the acid treatment was used to assemble the positively charged nano silicon sheets modified with APTES. THF as a solvent was used in the coating process of PFO pitch. The physical properties of the prepared anode composites were analysed by FE-SEM, XRD and EDS. The electrochemical performances of the synthesized anode composites were performed by current charge/discharge, rate performances, differential capacity and EIS tests in the electrolyte LiPF6 dissolve solvent (EC:DMC:EMC = 1:1:1 vol%). It was found that the anode material with high capacity and stability could be synthesized when high composition of silicon and conductivity of CNT were used. The pitch coated nano silicon sheets/CNT anode composites showed initial discharge capacity of 2344.9 mAh/g and the capacity retention ratio of 81% after 50 cycles. The electrochemical property of pitch coated anode material was more improved than that of the nano silicon sheets/CNT composites.
Jin Ju Yoo;Nayeon Ko;Su Hyun Oh;Jeongyeon Oh;Mijung Kim;Jaeeun Lee;Taeshik Earmme;Joonwon Bae
Applied Chemistry for Engineering
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v.34
no.5
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pp.529-533
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2023
The fundamental electrochemical properties and adsorption capabilities of the carbonized product derived from coffee grounds, a prevalent form of lignocellulose abundantly generated in our daily lives, have been extensively investigated. The structure and morphology of the resultant carbonized product, obtained through a carbonization process conducted at a relatively low temperature of 600 ℃, were meticulously examined using a scanning electron microscope. Raman spectroscopy measurements yielded a relative crystallinity (D/G ratio) of the carbon product of 0.64. Electrical measurements revealed a linear ohmic relationship within the carbonized product. Furthermore, the viability of utilizing this carbonized material as an anode in lithium-ion batteries was evaluated through half-cell charge/discharge experiments, demonstrating an initial specific capacity of 520 mAh/g. Additionally, the adsorption performance of the carbon material towards a representative dye molecule was assessed via UV spectroscopy analyses. Supplementary experiments corroborated the material's ability to adsorb a distinct model molecule characterized by differing surface polarity, achieved through surface modification. This article presents pivotal findings that hold substantial implications for forthcoming research endeavors centered around the recycling of lignocellulose waste.
In this study, the electrochemical properties of SiOx@C composite materials were prepared to alleviate volume expansion and cycle stability of silicon and to increase the capacity of anode material for LIBs. SiO2 particles of 100, 200, and 500 nm were synthesized by the Stӧber method, and reduced to SiOx (0≤x≤2) through the magnesiothermic reduction method. Then, SiOx@C anode materials were synthesized by carbonization of PVC on SiOx. The physical properties of prepared SiOx and SiOx@C anode materials were analyzed by XRD, SEM, TGA, Raman spectroscopy, XPS and BET. The electrochemical properties were investigated by cycling performance, rate performance, CV and EIS test. As a result, the SiOx@C-7030 manufactured by coating carbon at SiOx : C = 70 : 30 on a 100 nm SiOx with the smallest particle size showed the best electrochemical properties with a discharge capacity of 1055 mAh/g and a capacity retention rate of 81.9% at 100 cycles. It was confirmed that cycle stability was impoved by reducing particle size and carbon coating.
Electrolytes are one of the essential components of a lithium-ion battery. They determine the battery's lifespan and cell characteristics. The dielectric constant is a key thermophysical property for determining how much salt can be dissociated and solvated in a solution. Hence, fast and reliable dielectric constant measurement is essential when formulating an electrolyte solution. This work implemented an open-ended coaxial probe (OECP) station as a quick and reliable tool to measure the complex permittivity spectra of electrolyte solutions. The capability of the OECP station was tested by measuring the complex permittivity of propylene carbonate (PC), dimethyl carbonate (DMC), and their mixtures from 0.1 to 8 GHz at 288.15, 298.15, and 308.15 K. The obtained dielectric spectra were then interpreted based on dielectric relaxation models and thermodynamic theories. The measured static dielectric constant data agreed well with the data from previous studies. They were also correlated using the Wang-Anderko thermodynamic model, showing approximately a 1% deviation from the experimental data. In addition, the relaxation characteristics, including the relaxation time and the Cole-Davidson exponent, showed that the microstructure of the solution significantly changes at the propylene carbonate mole fraction of 0.4. These results and methodologies are expected to contribute to the further understanding of electrolyte solutions and ultimately lead to the optimization of electrolyte formulation for lithium-ion batteries.
Carbon fiber reinforced polymer (CFRP) is one of the composite materials, which has a unique property that is lightweight but strong. The CFRPs are widely used in various industries where their unique characteristics are required. In particular, electric and unmanned aerial vehicles critically need lightweight parts and bodies with sufficient mechanical strengths. Vehicles using the battery as a power source should simultaneously meet two requirements that the battery has to be safely protected. The vehicle should be light of increasing the mileage. The CFRP has considered as the one that satisfies the requirements and is widely used as battery housing and other vehicle parts. On the other hand, in the battery area, carbon fibers are intensively tested as battery components such as electrodes and/or current collectors. Furthermore, using carbon fibers as both structure reinforcements and battery components to build a structural battery is intensively investigated in Sweden and the USA. This mini-review encompasses recent research trends that cover the classification of structural batteries in terms of functionality of carbon fibers and issues and efforts in the battery and discusses the prospect of structural batteries.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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