EVや電子機器の進化に伴い、リチウムイオン電池にはより高いエネルギー密度が求められています。従来のグラファイトアノードは理論容量が372mAh/gと低く、エネルギー密度の向上が制限されています。シリコンは豊富で環境に優しく、理論容量が4200mAh/gと高く、次世代のリチウムイオン電池アノード材料として有望視されています。しかし、体積膨張が激しく、初期のクーロン効率が低いため、実用化には至っていません。改質シリコンベースのアノード材料は、電気化学性能を効果的に向上させることができます。
シリコン系アノードリチウムイオン電池の故障解析
シリコンは地殻中に豊富に存在し、リチウムイオン電池のアノードとして理論容量が 4200mAh/g と高いという利点があるものの、リチウム化の過程で体積膨張や導電性の低下などの問題が生じます。活物質が破砕または粉砕され、電極材料が集電体から分離する可能性もあります。
リチウム電池の負極にシリコン系材料を使用すると、充放電時にシリコンとリチウムが合金化反応を起こします。この過程で、シリコンの体積は100%～300%変動します。シリコン含有量の変化により負極材料に亀裂が生じ、粉砕されます。粉砕された材料は集電体から剥離し、負極構造を損傷します。この期間中、電池容量の劣化は従来の電池よりもはるかに速くなります。
充放電サイクル中、シリコンの大きな体積変動により、固体電解質界面 (SEI) フィルムが損なわれなくなります。SEI フィルムに亀裂が生じると、新しい SEI 層が形成され、リチウムが消費されます。SEI が継続的に形成されると、リチウムが大幅に失われ、内部抵抗が増加し、容量が急速に減少します。
シリコンの固有キャリア濃度が低いため、バッテリーの有効放出効率とサイクル効率、導電性が低く、市場での応用が制限されます。
改質シリコン系アノード材料
表面改質 技術は 化学薬品 化学的または物理的方法を使用して材料の表面の構成または構造を変更し、その固有の特性を維持しながら新しい表面特性を付与します。
現在、改質シリコン系陽極材料技術は主に表面処理を含む。 コーティング、表面機能化、人工 SEI フィルムなど、シリコンベースのアノードの電気化学的性能を効果的に向上させる技術が開発されました。
表面コーティング
シリコン表面コーティングの主なメカニズムは、シリコン表面に 1 つ以上の保護層を作成することです。これらの層は、シリコンアノードの電気化学的性能を向上させるために、物理的または化学的方法を使用して準備されます。通常、保護層には次の機能があります。
- シリコンアノード構造を安定化し、体積膨張を抑制してサイクル性能を向上します。
- シリコンと電解質の直接接触を減らし、副反応を抑制し、Li+ の消費を減らすバリアとして機能し、ICE を改善します。
- 表面保護層はイオンや電子を透過する能力があり、シリコン基板の導電性を向上させます。
シリコン表面コーティングは、商業用シリコンカーボンアノード用途の主な方法の 1 つと考えられています。シリコン表面コーティング前駆体を準備するための一般的な技術には、湿式化学法、機械的ボールミル、スプレー乾燥、堆積、およびその他の同様の方法があります。これらの後に、熱処理またはコーティング構造の直接合成が行われます。
コーティング方法が多様で大量生産が容易なのが主な利点です。
コーティング層は充放電プロセス中の体積膨張を効果的に抑制し、サイクル性能を向上させます。
表面機能化
粉末材料の表面機能化は、特定の特性を持つ材料を調製する方法です。機能分子で基板の表面を改質して、均質性または相分離を実現します。このアプローチは、両方のシステムの性能上の利点を活用します。特定の方法によって構造と機能を正確に制御し、主材料にさまざまな特性を与えることができます。
現在、表面機能化処理は、シリコンアノードの体積膨張、導電性の低下、ICE の低下などの問題に対処しています。主なメカニズムは、シリコン表面を前処理し、その後に官能基をその場でグラフトすることです。表面官能基は、シリコンアノードの電気化学的性能を向上させるために使用されます。表面機能化は、ナノ構造シリコンの表面改質研究でよく適用されます。
その主な役割は、改質シリコンと電解質の相互作用を強化することです。これにより電解質の分解が促進され、安定した SEI フィルムが形成され、シリコンアノードの電気化学的性能が向上します。
主な利点は、改質方法が簡単なことです。欠点は、適用範囲がナノスケールのシリコンに限定されていることです。
人工SEIフィルム
最初のリチウム挿入時に、シリコン表面は電解質と不可逆的に反応し、SEI 膜と呼ばれる膜を形成します。SEI 膜は、それ以上の不可逆反応を防ぎ、電極の可逆性を確保するという重要な役割を果たします。ただし、SEI 膜の形成により、Li+ と電解質が消費され、初期効率に影響します。SEI 膜が厚すぎると、Li+ の移動が妨げられ、アノードの電気化学的活性に影響を及ぼす可能性があります。安定した SEI 膜は、高性能のシリコンベースのアノードを実現するために不可欠です。「人工 SEI」(ASEI) 膜を構築する方法は、シリコン上に特殊な表面構造を形成します。これにより、副反応が軽減され、電解質の劣化が抑制され、より安定した SEI 膜とより高い ICE につながります。
その利点には、多様な方法と豊富な膜層モデルが含まれますが、欠点は、均一な SEI フィルム形成を制御するのが難しく、生産アプリケーションに対する拡張性に欠けることです。
シリコン系陽極材料の用途
シリコンベースのアノードは、工業化に最も有望な次世代アノード材料の 1 つと考えられており、新エネルギー業界では幅広いコンセンサスを得ています。研究によると、シリコンベースのアノードを使用すると、現在利用可能な同様のバッテリーと比較して、エネルギー密度が 20% ～ 40% 増加します。
プロセスルートの観点から、シリコンベースのアノードはシリコンカーボンアノード技術とシリコン酸素アノード技術に分けられます。近年、シリコンカーボンアノードの応用が加速しています。
2017年、テスラはモデル3電気自動車の量産にシリコンカーボンアノードを採用し、航続距離を20%延長しました。これは、シリコンカーボンアノードがバッテリー性能の向上に大きく影響することを実証し、大きな注目を集めました。2022年6月、CATLはエネルギー密度255Wh/kgのシリコンカーボン材料を使用したQilinバッテリーをリリースしました。2023年6月、テスラはシリコンカーボン4680バッテリーの累計生産数が1,000万個を超え、公式の量産段階に入ったと発表しました。 4680バッテリー.
結論
新エネルギー車や低高度経済のトレンドに牽引され、シリコンベースのアノードは、固体電池の好ましい新しいアノード材料として注目を集めています。現在の研究によると、単一の表面改質法では、シリコンアノードの体積膨張によって引き起こされる問題を包括的に解決するには不十分です。さらに、一部の改質法はプロセスが複雑でコストが高いため、大規模な産業応用が困難です。
したがって、将来の開発の方向性としては、複数の変更方法の相乗的な最適化に重点が置かれる可能性があります。
表面改質などの包括的なアプリケーションを通じて、シリコンアノードの体積膨張と関連する問題を効果的に制御できます。
エピックパウダー
エピックパウダー、超微粉業界で20年以上の実務経験。超微粉の粉砕、研磨、分類、改質プロセスに重点を置き、超微粉の将来の開発を積極的に推進しています。無料の相談とカスタマイズされたソリューションについては、お問い合わせください。当社の専門家チームは、高品質の製品とサービスを提供して、お客様の粉体処理の価値を最大化することに専念しています。Epic Powder—信頼できる粉体処理の専門家！