EV와 전자기기의 발전으로 리튬 이온 배터리는 더 높은 에너지 밀도를 필요로 합니다. 기존의 흑연 애노드는 이론 용량이 372mAh/g로 낮아 에너지 밀도 개선에 한계가 있습니다. 실리콘은 풍부하고 친환경적이며 이론 용량이 4200mAh/g로 높습니다. 차세대 리튬 이온 배터리 애노드 소재로 유망합니다. 그러나 심각한 부피 팽창과 낮은 초기 쿨롱 효율은 실제 적용을 방해합니다. 변형된 실리콘 기반 애노드 소재는 전기화학적 성능을 효과적으로 개선할 수 있습니다.
실리콘 기반 양극 리튬 이온 배터리의 고장 분석
실리콘은 지각에 풍부하며 리튬 이온 배터리 양극으로서 4200mAh/g의 높은 이론 용량을 가지고 있습니다. 장점에도 불구하고 리튬화 중에 부피 팽창 및 전도도 감소와 같은 문제가 발생합니다. 활성 물질이 파손되거나 분쇄될 수 있으며 전극 물질이 전류 수집기에서 분리될 수 있습니다.
실리콘 기반 소재를 리튬 배터리 양극으로 사용하면 충전 및 방전 중에 실리콘과 리튬이 합금화 반응을 겪습니다. 이 과정에서 실리콘 부피는 100%–300%만큼 변동합니다. 실리콘 함량의 변화로 인해 양극 소재에 균열이 생겨 분쇄가 발생합니다. 분쇄된 소재가 전류 집전체에서 분리되어 양극 구조가 손상됩니다. 이 기간 동안 배터리 용량 저하가 기존 배터리보다 훨씬 빠릅니다.
충전-방전 사이클 동안 실리콘의 큰 부피 변동은 고체 전해질 계면(SEI) 필름이 그대로 유지되는 것을 방지합니다. SEI 필름이 깨지면 새로운 SEI 층이 형성되어 리튬을 소모합니다. 지속적인 SEI 형성은 상당한 리튬 손실로 이어지고 내부 저항이 증가하고 용량이 빠르게 감소합니다.
실리콘의 고유 캐리어 농도가 낮기 때문에 배터리의 효과적인 방출 및 사이클 효율과 전도도가 좋지 않습니다. 이는 시장에서의 적용을 제한합니다.
변형된 실리콘 기반 양극 재료
표면 개질 기술은 변경합니다 화학적인 화학적 또는 물리적 방법을 사용하여 재료 표면의 구성이나 구조를 변경하는 동시에 본래의 특성을 보존하고 새로운 표면 특성을 부여하는 기술입니다.
현재, 개량된 실리콘 기반 양극 재료 기술은 주로 표면을 포함합니다. 코팅, 표면 기능화, 인공 SEI 필름은 모두 실리콘 기반 양극의 전기화학적 성능을 효과적으로 개선합니다.
표면 코팅
실리콘 표면 코팅의 주요 메커니즘은 실리콘 표면에 하나 이상의 보호 층을 만드는 것입니다. 이러한 층은 실리콘 애노드의 전기화학적 성능을 개선하기 위해 물리적 또는 화학적 방법을 사용하여 준비됩니다. 일반적으로 보호 층은 다음과 같은 기능을 합니다.
- 실리콘 양극 구조를 안정화하고, 부피 팽창을 억제하여 사이클 성능을 향상시킵니다.
- 실리콘과 전해질 사이의 직접 접촉을 줄이는 장벽 역할을 하며, 부반응을 억제하고, Li+ 소모를 줄여 ICE를 개선합니다.
- 표면 보호층은 이온과 전자를 전달하는 능력을 가지고 있어 실리콘 기판의 전도도를 향상시킵니다.
실리콘 표면 코팅은 상업적 실리콘-탄소 애노드 응용 분야의 주요 방법 중 하나로 간주됩니다. 실리콘 표면 코팅 전구체를 준비하는 일반적인 기술에는 습식 화학 방법, 기계적 볼 밀링, 분무 건조, 증착 및 기타 유사한 방법이 있습니다. 이러한 방법에는 열처리 또는 코팅 구조의 직접 합성이 뒤따릅니다.
가장 큰 장점은 코팅 방법이 다양하고 대량생산이 쉽다는 것입니다.
코팅층은 충전-방전 과정 중 부피 팽창을 효과적으로 억제하여 사이클 성능을 향상시킵니다.
표면 기능화
분말 재료의 표면 기능화는 특정 특성을 가진 재료를 준비하는 방법입니다. 이는 기질 표면을 기능 분자로 수정하여 균질성 또는 상 분리를 달성하는 것을 포함합니다. 이 접근 방식은 두 시스템의 성능 이점을 활용합니다. 구조와 기능은 특정 방법을 통해 정밀하게 제어되어 주요 재료에 다른 특성을 부여할 수 있습니다.
현재, 표면 기능화 처리법은 실리콘 애노드 부피 확장, 낮은 전도도, 낮은 ICE와 같은 문제를 해결합니다. 주요 메커니즘은 실리콘 표면을 사전 처리한 다음, 기능기를 현장에서 이식하는 것입니다. 표면 기능기는 실리콘 애노드의 전기화학적 성능을 개선하는 데 사용됩니다. 표면 기능화는 종종 나노구조 실리콘 표면 개질 연구에 적용됩니다.
주요 역할은 변형된 실리콘과 전해질 간의 상호 작용을 강화하는 것입니다. 이는 전해질 분해를 촉진하여 안정적인 SEI 필름을 형성하여 실리콘 애노드 전기화학적 성능을 개선합니다.
주요 장점은 변형 방법이 간단하다는 것입니다. 단점은 적용 범위가 나노스케일 실리콘으로 제한된다는 것입니다.
인공 SEI 필름
첫 번째 리튬 삽입 중에 실리콘 표면은 전해질과 비가역적으로 반응하여 SEI 필름이라는 필름을 형성합니다. SEI 필름은 더 이상의 비가역적 반응을 방지하여 전극 가역성을 보장함으로써 중요한 역할을 합니다. 그러나 SEI 필름의 형성은 일부 Li+와 전해질을 소모하여 초기 효율에 영향을 미칩니다. SEI 필름이 너무 두꺼우면 Li+ 수송을 차단하고 애노드의 전기화학적 활동에 영향을 미칠 수 있습니다. 안정적인 SEI 필름은 고성능 실리콘 기반 애노드를 달성하는 데 필수적입니다. "인공 SEI"(ASEI) 필름을 구축하는 방법은 실리콘에 특수 표면 구조를 형성합니다. 이는 부반응을 줄이고 전해질 분해를 억제하여 보다 안정적인 SEI 필름과 더 높은 ICE로 이어집니다.
그 장점으로는 다양한 방법과 풍부한 멤브레인 층 모델이 있습니다. 그러나 단점은 균일한 SEI 필름 형성을 제어하는 데 어려움이 있고 생산 애플리케이션에 대한 확장성이 부족하다는 것입니다.
실리콘 기반 양극 재료의 응용 분야
실리콘 기반 애노드는 산업화를 위한 가장 유망한 차세대 애노드 소재 중 하나로 간주되며, 새로운 에너지 산업에서 광범위한 합의를 얻고 있습니다. 연구에 따르면 실리콘 기반 애노드를 사용하면 현재 사용 가능한 유사한 배터리와 비교하여 에너지 밀도를 20%에서 40%까지 높일 수 있습니다.
공정 경로 관점에서 실리콘 기반 애노드는 실리콘-탄소 및 실리콘-산소 애노드 기술로 나뉩니다. 최근 몇 년 동안 실리콘-탄소 애노드의 적용이 가속화되었습니다.
2017년 테슬라는 모델 3 전기 자동차의 양산에 실리콘-카본 애노드를 적용하여 주행거리를 20% 늘렸습니다. 이는 실리콘-카본 애노드가 배터리 성능을 개선하는 데 상당한 영향을 미친다는 것을 보여주었고 상당한 주목을 받았습니다. 2022년 6월 CATL은 에너지 밀도가 255Wh/kg인 실리콘-카본 소재를 사용한 Qilin 배터리를 출시했습니다. 2023년 6월 테슬라는 실리콘 카본 4680 배터리의 누적 생산량이 1,000만 대를 돌파하여 배터리의 공식 양산 단계를 알렸다고 발표했습니다. 4680 배터리.
결론
새로운 에너지 차량과 저고도 경제의 추세에 힘입어 실리콘 기반 애노드는 고체 배터리의 선호하는 새로운 애노드 소재로 주목을 받고 있습니다. 현재 연구에 따르면 단일 표면 개질 방법으로는 실리콘 애노드 부피 확장으로 인한 문제를 포괄적으로 해결하기에 충분하지 않습니다. 또한 일부 개질 방법은 복잡한 공정과 높은 비용을 수반하여 대규모 산업 적용이 어렵습니다.
따라서 향후 개발 방향은 다양한 변형 방법의 시너지 효과를 최적화하는 데 초점을 맞출 가능성이 있습니다.
표면 개질과 같은 종합적인 응용을 통해 실리콘 애노드 부피 팽창 및 관련 문제를 효과적으로 제어할 수 있습니다.
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