Journal of the Korean Ceramic Society Vol. 50, No. 2, pp. 168~172, 2013. -168- http://dx.doi.org/10.4191/kcers.2013.50.2.168 Influence of the Binder Types on the Electrochemical Characteristics of Si-C Composites Electrode in LIBs Sung-Hun Jung*, Mijung Ji, Geunyeong Park, Jongill Hong*, and Byung-Hyun Choi † Electronic Materials Lab, Korea Institute of Ceramic Engineering & Technology, Seoul 153-801, Republic of Korea *Advanced Material Engineering, Yonsei University, Seoul 120-749, Republic of Koreaa (Received February 26, 2013; Revised March 15, 2013; Accepted March 19, 2013) Si-C 복합체 전극의 바인더 종류에 따른 전기화학적 특성 변화 정성헌*·지미정·박근영·홍종일*·최병현 † 한국세라믹기술원 전자소재팀 * 연세대학교 신소재공학과 (2013 년 2 월 26 일 접수 ; 2013 년 3 월 15 일 수정 ; 2013 년 3 월 19 일 채택) ABSTRACT This work presents the effects of binders on the electrochemical performance of Si-C composites as the anode of lithium ion batteries. PAI (polyamide-imide) was used as an organic binder, and PAN (polyacrylonitrile), PAA (polyacrylic acid) and CMC + SBR (carboxymethyl cellulose + styrene-butadiene rubber) were used as aqueous binders. As a result, stabilization time for the cell with a Si-C composite anode synthesized using aqueous binders became shorter than an organic binder. Particularly in the case of the cell using PAA binder, better performance was observed in terms of adhesion strength, initial efficiency, the volume expansion ratio, Coulombic efficiency, and capacity retention. Key words: Si-C composites, Aqueous binder, Polyacrylic acid, Anode materials, LIBs 1. 서 론 전기자동차용 리튬이온이차전지는 고출력, 고용량, 고안 전성, 장수명 등의 특성이 요구되고 있으나, 현재 음극으로 서 상용되고 있는 흑연은 용량이 372 mAh/g 로 낮아 고용량 을 가지는 음극 소재들에 대한 연구들이 진행되고 있다. 1,2) 고용량 소재 중 실리콘은 이론용량이 4200 mAh/g 으로 크기 때문에 많은 연구가 진행되고 있다. 3,4) 그러나 실리 콘을 음극물질로 사용할 경우, 충·방전이 진행될 때 일 어나는 200% - 400%의 큰 부피팽창과 그에 따른 낮은 수 명유지율, 초기 사이클에서 부피팽창으로 인한 상변이와 전기적 단락, Dangling bond 로 인한 큰 비가역 용량 등 수 사이클 이내에 급격한 용량감소를 보이는 문제가 있다. 5,6) 이러한 문제점들을 해결하기 위하여 실리콘을 안티몬, 주석, 알루미늄과 같은 금속을 합금화 하거나, 카본계 물 질을 매트릭스로 하고 거기에 실리콘을 첨가하여 복합화 함으로서 부피팽창을 감소시켜 사용하려고 노력하고 있다. 7,8) 그럼에도 불구하고 실리콘을 기본으로 하는 물질은 부 피팽창이 크고, 급격한 용량감소를 개선하지 못하고 있다. 음극물질에서의 재료 자체만으로 부피의 팽창 제어는 한 계에 부딪치고 있기 때문에, 이를 개선하기 위한 방법으 로 팽창과 수축의 범위가 넓은 고분자 바인더를 사용코 자 하는 연구가 보고되고 있다. 9,10) Si-C 복합체에서 큰 부 피팽창을 감소시킬 수 있는 전극 구성 소재는 바인더이 기 때문에 전극물질을 안정한 상태로 유지하면서 유해성 이 없는 공정으로 가기 위해서는, 수계 바인더가 매우 중 요하다. 11-14) 그래서, 최근 휘발성이 강한 유독성인 NMP (n-methyl-2-pyrrolidone) 를 용매로 사용하는 바인더 사용 을 줄이고, 음극으로 실리콘 계를 사용하고, 양극물질로 LiFePO 4 등 활물질에 적용 가능한 수계 바인더의 연구가 활발히 이루어지고 있다. 15,16) 따라서 본 연구에서는 Si-C 복합체에서 유·수계 바인더 (PAI(polyamide imide), PAN(polyacrylonitrile), CMC + SBR (sodium carboxymethyl cellulose + styrene butadiene rubber), PAA(polyacrylic acid)) 가 리튬이온 이차전지의 전기화학적 특성과 부피팽창에 어떠한 영향을 주는지 연구하였다. † Corresponding author : Byunghyun Choi E-mail : [email protected]Tel : +82-2-3282-2441 Fax : +82-2-3282-2460
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, and Byung-Hyun Choijkcs.or.kr/upload/pdf/SRMHB8_2013_v50n2_168.pdf · 2016. 5. 25. · Si-C 복합체 전극의 바인더 종류에 따른 전기화학적 특성 변화 169 제50권
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Journal of the Korean Ceramic Society
Vol. 50, No. 2, pp. 168~172, 2013.
−168−
http://dx.doi.org/10.4191/kcers.2013.50.2.168
Influence of the Binder Types on the Electrochemical Characteristics
of Si-C Composites Electrode in LIBs
Sung-Hun Jung*, Mijung Ji, Geunyeong Park, Jongill Hong*, and Byung-Hyun Choi†
Electronic Materials Lab, Korea Institute of Ceramic Engineering & Technology, Seoul 153-801, Republic of Korea
*Advanced Material Engineering, Yonsei University, Seoul 120-749, Republic of Koreaa
(Received February 26, 2013; Revised March 15, 2013; Accepted March 19, 2013)
Si-C 복합체 전극의 바인더 종류에 따른 전기화학적 특성 변화
정성헌*·지미정·박근영·홍종일*·최병현†
한국세라믹기술원 전자소재팀
*연세대학교 신소재공학과
(2013년 2월 26일 접수 ; 2013년 3월 15일 수정 ; 2013년 3월 19일 채택)
ABSTRACT
This work presents the effects of binders on the electrochemical performance of Si-C composites as the anode of lithium ionbatteries. PAI (polyamide-imide) was used as an organic binder, and PAN (polyacrylonitrile), PAA (polyacrylic acid) and CMC + SBR(carboxymethyl cellulose + styrene-butadiene rubber) were used as aqueous binders. As a result, stabilization time for the cell witha Si-C composite anode synthesized using aqueous binders became shorter than an organic binder. Particularly in the case of the cellusing PAA binder, better performance was observed in terms of adhesion strength, initial efficiency, the volume expansion ratio,Coulombic efficiency, and capacity retention.