Sulfur-doped Silicon Oxycarbide by Facile Pyrolysis Process Using Silicon Oil as Anode Materials for Outstanding Performance Lithium Ion Batteries

Abstract

Silicon oxycarbide (SiOC) attracts soaring attention as an anode material for lithium ion battery due to its outstanding cycle life and unique structure of Si-O-C hybrid bonding. However, poor electrical conductivity is the major drawback of SiOC-based electrodes. In this work, I synthesized sulfur-doped silicon oxycarbide (S-SiOC) via facile pyrolysis from a mixture of commercial silicone oil with 1-dodecanethiol. The as-prepared S-doped SiOC was applied as an anode material for lithium ion battery for the first time. The S doping can improve the electrical conductivity of SiOC by providing extra e- pathway and accommodate more Li+ by creating additional reaction sites. The enhanced electrochemical kinetics of Li+ was verified by Randles-Sevcik equation. For the initial cycle, the electrodes demonstrated a high reversible capacity of 700 mAh g-1 at 0.1 A g-1 with initial coulombic efficiency of 66.8%. Additionally, the electrodes exhibit a large specific capacity of 378 mAh g-1 with a high capacity retention of 84.8%, even after 1000 cycles at 1 A g-1. Therefore, this sulfur-doped silicon oxycarbide with excellent electrochemical performances has promising potential as an anode material in lihium ion battery.

실리콘 옥시카바이드는 우수한 사이클 수명과 Si, O, C 원자들의 결합들로 이루어진 독특한 구조로 인해 리튬이온전지의 새로운 음극물질로 주목받고 있다. 그러나 실리콘 옥시카바이드 기반의 음극물질은 낮은 전기전도성이라는 단점을 가지고 있다. 본 연구에서는 상용화된 실리콘 오일과 도데칸사이올을 섞어 간단한 열분해 과정을 통해 황이 도핑된 실리콘옥시카바이드를 합성하고 이를 리튬이온전지의 음극 물질로 활용하는 연구를 진행하였다. 황 도핑을 통해 전기전도성을 향상시키고 추가적인 반응 지역을 만들어 더 많은 리튬이온을 저장시킬 수 있었고, Randles-Sevcik 방정식을 통해 향상된 전기화학적 성능을 확인하였다. 결과적으로, 합성된 황 도핑된 실리콘옥시카바이드는 초기 사이클에서 높은 가역용량 (0.1 A g-1에서 700 mAh g-1)과 좋은 사이클 수명 특성 (1 A g-1에서 1000회 충·방전 후, 378 mAh g-1의 가역용량)을 보인다.