コンデンサーカーボンとシリコンカーボン用多孔質カーボンは、どちらも多孔質カーボンに属する2つの類似した材料ですが、電気化学的特性、製造方法、および応用分野が異なります。以下では、これら2つの材料の特徴とそれらの違いを紹介します。
コンデンサーカーボン
コンデンサーカーボンは、高表面積の多孔質活性炭です。エネルギー貯蔵装置の電極として広く使用されています。コンデンサーカーボンの製造には、通常、石炭やココナッツの殻などの原材料を炭化することが含まれます。その後、活性化プロセスが行われます。活性化プロセスは、物理的（水蒸気または二酸化炭素を使用）または 化学薬品 (酸、塩基、または塩を使用)。コンデンサーカーボンには、低コスト、大きな表面積、豊富な細孔構造という 3 つの主な利点があります。これらの特性により、スーパーキャパシターの電極材料として高い電荷貯蔵容量が得られます。
コンデンサカーボンの主な特徴は次のとおりです。
比表面積が大きい: コンデンサカーボンは比表面積が非常に大きいため、多量の電解液を吸着することができ、電極表面に二重層を形成し、電荷を蓄える鍵となります。
よく発達した気孔構造： コンデンサカーボンは、よく発達したマイクロポーラスおよびメソポーラスの細孔構造を持ち、電解質の濡れとイオンの急速な移動を促進し、それによってコンデンサの性能を向上させます。
高い導電性: コンデンサカーボンの高いイオン伝導性は急速な充放電を可能にし、スーパーコンデンサの高出力密度を実現する重要な要素です。
高い化学的安定性: コンデンサカーボンは、さまざまな酸性およびアルカリ性電解質において高い化学的安定性を示し、さまざまな環境下でコンデンサの安定した性能を保証します。
環境に優しい: コンデンサーカーボンは重金属を含まず、環境を汚染しません。環境に優しいエネルギー貯蔵材料です。
シリコンカーボン用多孔質カーボン
シリコンカーボン用多孔質カーボンはシリコンカーボン負極の上流の重要な材料であり、電池性能の向上に重要な役割を果たします。
シリコンカーボン用多孔質カーボンの主な特徴は次のとおりです。
多孔質炭素は、細孔構造が良好で表面積が大きいため、ナノシリコンの堆積に適した構造を提供できます。また、充電中にシリコンが膨張するスペースも確保できるため、リチウムイオン電池の性能が向上します。細孔容積が大きいほど、活性部位が多くなります。これにより、電池のエネルギー貯蔵容量が増加します。細孔容積が大きすぎると強度が低下します。そのため、適切な範囲内で制御する必要があります。
伝導率: 多孔質炭素材料は高い導電性を持ち、バッテリーの急速充放電に不可欠です。高い導電性はバッテリーの内部抵抗を減らし、全体的なエネルギー変換効率を向上させます。
不純物含有量と炭素骨格強度: 高品質の多孔質炭素材料は不純物含有量が少なく、炭素骨格の強度が高いため、リサイクル時の安定性が向上し、バッテリーの耐用年数が長くなります。
粒子サイズ 分布と圧縮密度: 適切な粒度分布と高い圧縮密度により、多孔質炭素材料は電池製造時の取り扱いが容易になり、電池のエネルギー密度を向上させることができます。
コンデンサーカーボンと多孔質カーボンおよびシリコンカーボンの違い
コンデンサーカーボンとシリコンカーボンの製造に使用される多孔質カーボンは、特性と用途が異なるため、コンデンサーカーボンはシリコンカーボン負極材料の製造に直接適用するには適していません。主な違いと理由は次のとおりです。
コンデンサーカーボンは、非常に発達した微細孔構造を持っています。そのため、スーパーキャパシターの電極材料として最適です。微細孔は、電解質内のイオンを吸着して電荷を蓄えるための大きな表面積を提供します。ただし、シリコンカーボン負極には、より大きな細孔構造が必要です。シリコン粒子の膨張に対応する必要があります。これにより、充放電中の体積変化による材料の破損や脱落を防止できます。
機械的強度と安定性: シリコンカーボン負極材料は、充放電プロセス中に大きな体積変化を起こすため、このストレスに耐えられるだけの機械的強度と安定性をベース材料に持たせる必要があります。コンデンサカーボンは電気化学的特性に優れていますが、その機械的強度と構造的安定性はシリコン粒子の体積変化に対応できない可能性があり、バッテリーのサイクル寿命に影響を与えます。
熱安定性: シリコンカーボン負極材料の製造工程では、高温処理工程が必要になる場合があります。コンデンサカーボンの熱安定性が高温条件に耐えるのに十分でない可能性があり、構造の損傷や性能の低下を引き起こす可能性があります。
伝導率: コンデンサーカーボンには一定の導電性がありますが、シリコンカーボン負極材料は通常、電子の迅速な伝達を確保するためにより高い導電性を必要とします。したがって、全体的な導電性を向上させるには、追加の導電剤または最適化されたカーボン材料が必要になる場合があります。
シリコン分散: シリコンカーボン陽極材料では、シリコンの高容量を最大限に引き出すために、シリコン粒子をカーボンマトリックス内に均一に分散させる必要があります。コンデンサカーボンの細孔構造は、シリコン粒子の均一な分散と固定に適していない可能性があります。
コンデンサーカーボンはスーパーキャパシターでは優れた性能を発揮しますが、その特殊な細孔構造、機械的強度、熱安定性、導電性は、シリコンカーボン負極材料の製造に直接使用するには適していません。
変換方法
コンデンサカーボンをシリコンカーボン材料に適した多孔質カーボンに変換するには、シリコンカーボン複合材料の特定の要件を満たすように、その細孔構造、機械的特性、化学的安定性を調整するための一連の改質手順が必要です。
考えられる変革戦略をいくつか示します。
細孔サイズを調整する: コンデンサ カーボンには通常、より多くの微細孔があります。シリコン カーボン材料に適合させるには、細孔サイズを拡大する必要がある場合があります。これにより、メソポーラスまたはマクロポーラス構造が作成されます。化学的または物理的な方法でこれを実現できます。たとえば、化学的活性化 (KOH または NaOH を使用) または物理的活性化 (水蒸気または CO2 を使用) によって細孔サイズを調整できます。これにより、メソポーラスとマクロポーラスの割合が増加します。
機械的特性を改善します。コンデンサーカーボンは、充電および放電中のシリコン粒子の体積変化に耐えられない可能性があります。
強度は以下の方法で向上できます:
炭化前駆体の改質。
炭化温度の制御。
カーボンナノチューブやグラフェンなどの強化剤を追加します。
熱安定性の向上: 高温処理または他の元素（窒素やホウ素など）のドーピングによってコンデンサカーボンの熱安定性を向上させ、シリコンカーボン複合材料の製造および適用中に構造的完全性が維持されるようにします。
導電性の向上: コンデンサーカーボンの導電性は、シリコンカーボン複合材料の要件を満たすのに十分ではない可能性があります。導電性は、より優れた導電性を持つカーボン材料（グラフェンや カーボンブラック） または コーティング 表面に導電層を設けます。
表面改質：コンデンサカーボンの表面を改質して、シリコン粒子との適合性と接着性を向上させます。たとえば、カーボン表面へのシリコン粒子の接着性を向上させることができます。これは、表面を酸化し、シランカップリング剤を使用することで実現できます。変換プロセスでは、コスト、効率、パフォーマンスのバランスを取る必要があります。実際には、実験によって、改質に最適な方法と条件が見つかる場合があります。また、変換された材料を厳密にテストする必要があります。シリコンカーボン負極材料におけるそれらの性能は、要件を満たす必要があります。