실리콘 카본의 캐패시터 카본과 다공성 카본은 두 가지 유사한 재료이며, 둘 다 다공성 카본에 속하지만 전기화학적 특성, 생산 방법 및 응용 분야가 다릅니다. 이 두 재료의 특성과 그 차이점은 아래에서 소개합니다.
커패시터 탄소
커패시터 탄소는 고표면적, 다공성, 활성탄입니다. 에너지 저장 장치의 전극으로 널리 사용됩니다. 커패시터 탄소 생산에는 일반적으로 석탄 및 코코넛 껍질과 같은 원료를 탄화하는 것이 포함됩니다. 그런 다음 활성화 공정을 거칩니다. 활성화 공정은 물리적(수증기 또는 이산화탄소 사용)이거나 화학적인 (산, 염기 또는 소금 사용). 커패시터 탄소는 세 가지 주요 장점이 있습니다. 저렴하고, 표면적이 크고, 기공 구조가 풍부합니다. 이러한 특성은 슈퍼커패시터의 전극 재료로서 높은 전하 저장 용량을 제공합니다.
커패시터 탄소의 주요 특징은 다음과 같습니다.
넓은 비표면적: 커패시터 탄소는 매우 큰 비표면적을 가지고 있어 많은 양의 전해질 용액을 흡착할 수 있으며, 이를 통해 전극 표면에 이중층을 형성하여 전하를 저장하는 데 중요한 역할을 합니다.
잘 발달된 기공 구조: 커패시터 탄소는 잘 발달된 미세다공성과 중다공성 기공 구조를 가지고 있어 전해질의 습윤과 이온의 빠른 이동에 도움이 되므로 커패시터의 성능을 향상시킵니다.
높은 전도도: 커패시터 탄소의 높은 이온 전도도는 빠른 충전과 방전을 용이하게 하며, 이는 슈퍼 커패시터의 높은 전력 밀도를 달성하는 데 중요한 요소입니다.
높은 화학적 안정성: 다양한 산성 및 알칼리성 전해질에서 커패시터 탄소는 높은 화학적 안정성을 나타내어 다양한 환경에서 커패시터의 안정적인 성능을 보장합니다.
환경 친화적: 커패시터 탄소는 중금속을 포함하지 않으며 환경을 오염시키지 않습니다. 환경 친화적인 에너지 저장 재료입니다.
실리콘 카본용 다공성 탄소
실리콘-탄소용 다공성 탄소는 실리콘-탄소 음극의 상류에 사용되는 핵심 소재로, 배터리 성능을 향상시키는 데 중요한 역할을 합니다.
실리콘 탄소의 다공성 탄소의 주요 특징은 다음과 같습니다.
다공성 탄소는 좋은 기공 구조와 큰 표면적을 가지고 있습니다. 이것은 나노실리콘 증착에 적합한 구조를 제공할 수 있습니다. 또한 충전 중에 실리콘이 확장될 수 있는 공간을 제공합니다. 이것은 리튬 이온 배터리의 성능을 향상시킵니다. 큰 기공 부피는 더 많은 활성 사이트를 의미합니다. 이것은 배터리의 에너지 저장 용량을 증가시킵니다. 과도한 기공 부피는 강도를 감소시킵니다. 따라서 합리적인 범위 내에서 제어해야 합니다.
전도도: 다공성 탄소 재료는 높은 전도성을 가지고 있어 배터리의 빠른 충전 및 방전에 필수적입니다. 높은 전도성은 배터리의 내부 저항을 줄이고 전체 에너지 변환 효율을 개선할 수 있습니다.
불순물 함량 및 탄소 골격 강도: 고품질 다공성 탄소 재료는 불순물 함량이 낮고 탄소 골격 강도가 높아 재활용 시 배터리의 안정성이 향상되고 수명이 연장됩니다.
입자 크기 분포 및 압축 밀도: 적절한 입자 크기 분포와 높은 압축 밀도로 인해 다공성 탄소 재료는 배터리 제조 중에 취급하기 쉽고 배터리의 에너지 밀도를 향상시킬 수 있습니다.
실리콘카본과 커패시터카본에 사용되는 다공성카본의 차이점
실리콘 카본을 생산하는 데 사용되는 커패시터 카본과 다공성 카본은 특성과 용도가 다르기 때문에 커패시터 카본은 실리콘 카본 음극 재료 생산에 직접 적용하기에 적합하지 않습니다. 다음은 몇 가지 주요 차이점과 이유입니다.
커패시터 탄소는 매우 발달된 미세 다공성 구조를 가지고 있습니다. 이는 슈퍼커패시터에 적합한 전극 소재입니다. 미세 기공은 전해질에서 이온을 흡착하고 전하를 저장할 수 있는 넓은 표면적을 제공합니다. 그러나 실리콘-탄소 음극은 더 큰 기공 구조가 필요합니다. 이는 실리콘 입자의 확장을 수용해야 합니다. 이는 충전 및 방전 중에 부피가 변하여 재료가 깨지거나 떨어지는 것을 방지합니다.
기계적 강도 및 안정성: 실리콘-탄소 음극 재료는 충전 및 방전 과정 동안 상당한 체적 변화를 겪게 되며, 이를 위해서는 기본 재료가 이 응력을 견딜 수 있는 충분한 기계적 강도와 안정성을 가져야 합니다. 커패시터 탄소는 전기화학적 특성이 좋지만, 기계적 강도와 구조적 안정성이 실리콘 입자의 체적 변화에 대처하기에 충분하지 않을 수 있으며, 따라서 배터리의 사이클 수명에 영향을 미칩니다.
열 안정성: 실리콘-탄소 음극 재료를 생산하는 과정에서 고온 처리 단계가 필요할 수 있습니다. 커패시터 탄소의 열 안정성은 고온 조건을 견디기에 충분하지 않을 수 있으며, 이는 구조의 손상이나 성능 저하를 초래할 수 있습니다.
전도도: 커패시터 탄소는 일정한 전도도를 가지고 있지만, 실리콘-탄소 음극 재료는 일반적으로 빠른 전자 전달을 보장하기 위해 더 높은 전도도를 요구합니다. 따라서 전체 전도도를 개선하기 위해 추가 전도성 제제 또는 최적화된 탄소 재료가 필요할 수 있습니다.
실리콘 분산: 실리콘-탄소 양극 재료에서 실리콘 입자는 탄소 매트릭스에 고르게 분산되어 실리콘의 고용량성을 극대화해야 합니다. 커패시터 탄소의 기공 구조는 실리콘 입자의 균일한 분산 및 고정에 도움이 되지 않을 수 있습니다.
커패시터 탄소는 슈퍼커패시터에서 좋은 성능을 발휘하지만, 특정한 기공 구조, 기계적 강도, 열적 안정성 및 전도도는 실리콘-탄소 활성 전극 재료 생산에 직접 사용하기에 적합하지 않습니다.
변형 방법
실리콘-탄소 재료에 적합한 다공성 탄소로 커패시터 탄소를 변환하려면 기공 구조, 기계적 특성 및 화학적 안정성을 조정하여 실리콘-탄소 복합 재료의 특정 요구 사항을 충족하는 일련의 개질 단계가 필요합니다.
가능한 변환 전략은 다음과 같습니다.
기공 크기 조절: 커패시터 탄소는 일반적으로 미세 기공이 더 많습니다. 실리콘 탄소 재료에 적응하려면 기공 크기를 확장해야 할 수 있습니다. 이렇게 하면 메조기공 또는 거시기공 구조가 생성됩니다. 화학적 또는 물리적 방법으로 이를 달성할 수 있습니다. 예를 들어, 화학적 활성화(KOH 또는 NaOH 사용) 또는 물리적 활성화(수증기 또는 CO2 사용)로 기공 크기를 조절할 수 있습니다. 이렇게 하면 메조기공과 거시기공의 비율이 증가합니다.
기계적 특성을 개선합니다. 커패시터 탄소는 충전 및 방전 중 실리콘 입자 부피 변화를 견디지 못할 수 있습니다.
다음과 같은 방법으로 강도를 향상시킬 수 있습니다.
탄화 전구체를 변형합니다.
탄화 온도 조절.
탄소 나노튜브, 그래핀과 같은 강화제를 추가합니다.
열 안정성 향상: 실리콘-탄소 복합재의 생산 및 적용 중에 구조적 무결성이 유지되도록 고온 처리 또는 다른 원소(질소 및 붕소 등)로 도핑하여 커패시터 탄소의 열 안정성을 개선합니다.
전도도 향상: 커패시터 탄소의 전도도는 실리콘-탄소 복합 재료의 요구 사항을 충족시키기에 충분하지 않을 수 있습니다. 전도도는 더 나은 전도도(예: 그래핀 및 카본 블랙) 또는 코팅 전도성 층이 있는 표면.
표면 수정: 커패시터 탄소 표면을 수정하여 실리콘 입자와의 호환성과 접착력을 개선합니다. 예를 들어, 탄소 표면에서 실리콘 입자의 접착력을 개선할 수 있습니다. 표면을 산화시키고 실란 커플링제를 사용하여 이를 수행할 수 있습니다. 변환 프로세스는 비용, 효율성 및 성능의 균형을 맞춰야 합니다. 실제로 실험을 통해 수정을 위한 최상의 방법과 조건을 찾을 수 있습니다. 또한 변환된 재료를 엄격하게 테스트해야 합니다. 실리콘-탄소 음극 재료에서의 성능은 요구 사항을 충족해야 합니다.