마이크로 사이즈 SiOx 음극 재료에 대한 두꺼운 TiO2/C 하이브리드 코팅의 부피 팽창 제한 효과

프레젠테이션

차세대 에너지 저장 장치의 개발과 함께 리튬 이온 배터리(LIB)의 높은 비 에너지 밀도, 긴 수명, 높은 전력 밀도에 대한 요구가 점점 더 절실해지고 있습니다. 최근 실리콘(Si) 기반 음극에 비해 SiOx 음극은 1000mAh g-1 이상의 높은 가역 비용량과 낮은 부피 팽창, 특히 긴 수명으로 인해 많은 주목을 받고 있습니다. 그러나 SiOx 입자 크기가 미크론 수준으로 증가함에 따라 전기 전도성 저하, 부피 팽창, 비용량 저하가 심각해집니다. 이러한 문제를 해결하기 위해 연구자들은 많은 노력을 기울여 왔습니다. 예를 들어, Liu 등은 부피 변화 적응, 높은 전기 전도도, 우수한 구조적 안정성이라는 장점을 가진 Yolk@Shell SiOx/C 마이크로스피어를 설계했습니다. Liu 등은 탄소 매트릭스에 균일하게 분산된 SiOx가 있는 단분산 SiOx/C 마이크로스피어를 보고했는데, 이는 SiOx의 전자 전도도를 향상시키고 큰 부피 변화를 완충할 수 있습니다. 하지만 이러한 효과적인 입자 크기 감소 나노 크기 및 창의적인 고유 구조 전략은 실제 생산에 필요한 공정 특성에는 적합하지 않습니다. 따라서 고에너지 밀도 배터리의 요구 사항과 Mn이 풍부한 고니켈 음극 재료의 기술 혁신으로 인해 사이클 수명이 길고 가공 성능이 우수한 마이크론 크기의 SiOx 음극 재료의 개발이 최우선 과제가 되었습니다.

양극 재료인 이산화티타늄은 충전 및 방전 중에 약간의 부피 팽창( 1.5V)을 가진 안정적인 고체 전해질 계면(SEI) 필름을 가지고 있다는 것은 잘 알려져 있습니다. 따라서 이산화티타늄은 나노 크기의 Si/SiOx 양극의 구조적 무결성을 향상시키는 좋은 보호층 역할을 할 수 있습니다. 이전 연구에 따르면 TiO2 또는 TiO2/C의 얇은 코팅(~10nm)이 나노 크기의 Si/SiOx 입자에 사용될 수 있는 것으로 나타났습니다. 최근 우리 그룹은 TiO2가 미크론 규모의 SiOx에서 탄소 코팅의 품질을 향상시켜 전극 재료의 전기 전도도를 향상시킬 수 있음을 입증했습니다. 그러나 미크론 스케일 SiOx의 부피 팽창은 단순한 얇은 TiO2 코팅으로는 제어할 수 없으며, 미크론 스케일 SiOx의 부피 팽창을 수용하기 위해 일정량의 공간과 팽창 영역을 제어하기 위해 더 강력한 코팅이 필요합니다.

이 연구에서는 내부 공극 공간과 초박형 TiO2/C 하이브리드 코팅(200-400nm)을 결합한 마이크론 크기의 SiOx 음극 소재(p-SiOx@yTiO2@C)를 설계했습니다. 흥미롭게도, 단순히 미크론 크기의 SiOx 표면에 물리적으로 흡착하는 대신 TiO2가 화학적으로 결합하여 Si-O-Ti 결합을 형성함으로써 계면 저항을 크게 줄이고 코팅과 SiOx의 결합을 개선합니다. 두꺼운 TiO2/C 하이브리드 코팅의 기능은 전극 재료의 두께 변화를 육안으로 관찰하여 잘 나타낼 수 있습니다. 이 연구는 공극 공간을 결합하고 두꺼운 하이브리드 코팅을 구성하여 낮은 부피 팽창을 달성함으로써 마이크로 크기의 SiOx 음극 재료 개발을 위한 새로운 개념을 제공합니다.

애플리케이션

이 연구에서는 내부 버퍼 공간과 외부 200~400nm 초두께의 TiO2/C 하이브리드 쉘을 결합하여 부피 팽창이 적고 이온/전도도가 높은 새로운 SiOx 양극 물질을 설계했습니다. 전극 두께 변화를 특성화하기 위해 전기화학 반응 시각화 공초점 시스템을 처음 개발하여 충전 및 방전 중 전극 두께의 실시간 정량적 변화를 확인할 수 있게 했습니다. 놀랍게도, 1006.2mA hg-의 특정 용량을 가진 설계된 양극의 최대 두께 팽창은 첫 번째 석출 과정에서 371 TP3T에 불과했으며, 그 후 설계된 양극은 100 사이클 후 용량이 5 사이클에 비해 7.831 TP3T 감소하여 안정적인 사이클 수명을 보였으며, 이는 설계된 두꺼운 TiO2/C 하이브리드 코팅이 마이크로 메트릭 스케일 산화티탄 팽창 응력을 내부 공간으로 감소시키는 데 효과적이라는 것을 의미합니다. 이 연구는 표면 혼성화 코팅과 블록 구조를 합리적으로 설계함으로써 미크론 크기의 SiOx 입자의 거대한 부피 팽창을 제어하고 긴 수명을 유지할 수 있음을 보여줍니다. 이 전략은 긴 수명과 우수한 가공성을 갖춘 고에너지 밀도 리튬 이온 배터리를 위한 마이크로 크기의 SiOx 음극재 개발의 길을 열었습니다.

그림 1은 전기화학 반응 시각화 공초점 시스템(ECCS, B310, ㈜레이저텍)을 사용하여 석출/탈석출 중 전극 재료의 팽창 변화를 실시간으로 관찰하는 모습입니다. 이 시스템은 공초점 광학장치, 셀 테스트 장비 및 두 가지 부품으로 구성됩니다. 유리창이 있는 전극 관찰 셀(그림 S1). 먼저, 작동 전극과 카운터 전극인 리튬 호일을 특수 도구를 사용하여 준비하고 특수 셀 홀더에 조립하고 나사로 고정했습니다. 그런 다음 0.5ml의 전해질을 세포 본체 바닥에 추가하고 세포를 시각화하기 위해 세포 홀더를 밀봉하고 작업 전극의 단면을 관찰하기 위해 유리창에 대고 유지했습니다. 마지막으로, 시각화된 세포의 단면을 뒤집어 12시간 동안 방치하여 전해질이 완전히 침투할 수 있도록 하고 위의 모든 작업을 글러브 박스에서 수행했습니다.

출처

저자: 페이 두, 웨화 웽, 구오롱 첸, 리이 시, 홍장 리우, 덩송 장

기관: 상하이대학교 이공대학 화학과 나노과학기술연구센터 재료과학공학부 첨단 특수강 국가 중점 연구소, 상하이 200444, 상하이, 중국 상하이대학교 이공대학 화학과, 나노과학기술연구소, 첨단 특수강 국가 중점 연구소, 재료공학부, 나노과학기술연구소

발행: 2019년 11월 19일 접수, 2019년 12월 31일 수정 접수, 2020년 1월 11일 승인, 2020년 1월 13일 온라인 공개

키워드: 리튬 이온 배터리, 산화티타늄 음극, 하이브리드 코팅, 사이클 수명

기사 소스 웹사이트.마이크로 크기의 산화티타늄 음극 재료에 대한 두꺼운 TiO2/C 하이브리드 코팅의 부피 팽창 제한 효과