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삼척에서 채광된 석탄소재를 활용한 실리콘 나노입자 생산 = Production of Silicon Nanoparticles Using Coal Material Mined in Samcheok City
The importance of carbon neutrality has been increasing worldwide, leading to a rapid transition to eco-friendly energy sources. As a result, there is an explosive demand for high-capacity rechargeable batteries. Li-ion batteries with silicon-containing anode, which have a nanostructure, are being developed as they have a higher charge storage density than graphite anode. However, the production cost of silicon nanoparticles is critical huddle for commercialization. In this study, silicon nanoparticles were synthesized using low-cost silicon precursor silica and various carbon materials. Carbon black, graphite, and coal which was mined in Samcheok city were tested for carbon materials. When a laser beam of 1 kW was radiated onto powders mixed with silica and carbon material, silicon nanoparticles with a size range of 10-120 nm were produced. The characteristics of the synthesized nanoparticles were examined using SEM, XRD, and XRF, confirming the presence of crystalline silicon in all powders. The experimental results using coal-mixed powder showed the highest silicon content and productivity among all the materials.
더보기세계적으로 탄소중립의 중요성이 높아지고 있어 친환경에너지로의 전환이 빠르게 이루어지고 있다. 그로 인해 고용량 이차전지의 수요가 폭발적으로 증가하고 있다. 나노 구조를 갖는 실리콘을 음극으로 적용한 Li-ion 배터리는 흑연 음극 대비 전기저장밀도가 높아 개발이 가속되고 있다. 하지만 양산형 배터리에 적용하기에는 나노 구조를 갖는 실리콘의 가격이 높다는 단점이 있다. 본 연구에서는 염가의 실리콘 전구물질인 실리카와 다양한 탄소 소재를 원료로 이용하여 실리콘 나노입자를 합성하였다. 탄소 소재로는 카본블랙, 흑연 및 삼척에서 생산된 석탄을 이용하였다. 각각 실리카와 탄소 물질을 혼합한 파우더에 1 kW의 레이저빔을 조사한 결과 10 ~ 120 nm의 실리콘 나노입자가 생성되었다. 생성된 나노입자의 특성을 확인하기 위해 SEM, XRD, XRF를 측정하였고 결정질 실리콘이 모든 파우더에서 검출되었다. 석탄을 혼합한 파우더를 이용한 실험결과가 실리콘의 함량과 생산성 면에서 모두 가장 높았다.
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