본 연구에서는 고용량 리튬이온배터리용 음극 소재로 탄소 코팅된 할로우 구조의 실리콘(HSi/C) 복합소재를 제조하였다. CTAB (N-Cetyltrimethylammonium bromide)이 첨가된 Stober법을 통해 할로우 실리카(HSiO2)를 합성하였으며, HSiO2를 마그네슘 열 환원한 뒤 표면에 탄소를 코팅하여 HSi/C 음극 복합소재를 제조하였다. 복합소재의 물리적 특성과 전기화학적 특성을 CTAB 조성에 따라 조사하였다. FE-SEM 분석 결과 CTAB 조성이 감소할수록 HSiO2 입자의 크기가 커졌으나 두께는 감소하였다. 제조된 HSi/C 소재는 다양한 CTAB 비율(0.5, 1.0, 1.5)에서 각각 2188.6, 2164.5, 1866.7 mAh/g의 높은 초기 방전용량을 나타내었으며, 100 사이클의 충·방전 후 0.5-HSi/C가 1171.3 mAh/g의 높은 가역 용량과 70.9%의 용량 유지율을 보여주었다. 전기화학 임피던스 분광법(Electrochemical Impedance Spectroscopy, EIS)으로 저항 특성을 분석하였으며, 0.5-HSi/C 소재가 20 사이클 이후 다른 CTAB 조성의 HSi/C 복합소재에 비해 안정적인 저항 특성을 보이는 것을 확인하였다.
In this study, a carbon coated hollow silicon (HSi/C) composite material was prepared for anode material of high-capacity lithiun-ion battery. Hollow silica (HSiO2) was synthesized by the Stober method with CTAB (N-Cetyltrimethylammonium bromide). The HSi/C anode composite was manufactured by carbon coating after magnesiothermic reduction of HSiO2. The physical and electrochemical characteristics of the prepared anode materials were investigated based on CTAB amount. In the FE-SEM analysis, it was found that the HSiO2 particle size increased as CTAB amount decreased, but shell thickness decreased. The HSi/C composites exhibited high initial discharge capacities of 1866.7, 2164.5 and 2188.6 mAh/g with various CTAB ratios (0.5, 1.0, 1.5), respectively. After 100 cycles of charge-discharge, 0.5-HSi/C demonstrated a high reversible capacity of 1171.3 mAh/g and a capacity retention of 70.9%. Electrochemical impedance spectroscopy (EIS) was employed to analyze the impedance characteristics, and it revealed that 0.5-HSi/C showed more stable resistance characteristics than HSi/C composites with other CTAB amount over 20 cycles.