전 세계적인 탄소 중립 목표에 힘입어 리튬 이온 배터리는 핵심 에너지 저장 기술로 빠르게 발전하고 있습니다. 배터리의 4대 핵심 구성 요소 중 하나인 음극재는 기존 흑연에서 고용량 고속 충전 소재로 혁신적인 변화를 겪고 있습니다. 이 중 수지 기반 다공성 탄소 차세대 CVD 실리콘 양극 소재의 핵심 지지체로 부상했습니다. 이는 고유한 가변 기공 구조, 뛰어난 전기화학적 성능, 그리고 실리콘 소재와의 우수한 호환성 덕분입니다. 산업 업그레이드 흐름을 선도하고 있습니다.
제품 기술 분류
수지 기반 다공성 탄소 원자재 출처, 구조적 특징, 최종 용도 등을 기준으로 분류할 수 있습니다.
전구체 수지 소스 기반
합성수지계：
페놀 수지 기반: 가장 일반적인 공정입니다. 원료는 쉽게 구할 수 있으며 공정은 이미 성숙되어 있습니다(용액 중합, 경화, 탄화, 활성화). 구형, 준구형, 그리고 불규칙한 블록 형태의 다공성 탄소를 생산합니다. 페놀 수지 기반은 기공 구조 제어가 용이하고, 기계적 강도가 높으며, 팽창 및 내압성이 우수하고, 실리콘 증착이 균일하다는 장점이 있습니다. 이로 인해 높은 1차 사이클 효율(>88%)과 긴 사이클 수명이 제공됩니다.
다른 합성수지로는 폴리아크릴로니트릴(PAN), 에폭시 수지, 폴리이미드(PI) 등이 있습니다. 각 수지마다 고유한 특징이 있지만, 페놀 수지가 배터리 음극재에 가장 널리 사용됩니다.
바이오매스 유래 수지 기반:
친환경적인 신흥 경로입니다. 바이오매스 정제 산물(예: 리그닌 유도체, 당 유도체)을 사용하여 수지를 합성한 후 탄화시켜 다공성 탄소를 형성합니다. 기존 수지의 안정성과 바이오매스의 저비용 이점을 결합한 방식입니다.
아스팔트 기반:
일반적으로 별도로 분류되는 아스팔트는 고분자(다환 방향족 탄화수소) 열분해를 통해 생성됩니다. 아스팔트는 중간상 아스팔트 유래 탄소 미세구(MCMB)를 만드는 데 사용되지만, 수지보다 기공 구조를 제어하는 것이 더 어렵습니다.
기공 구조 특성 및 응용 분야 중심
다공성 탄소를 캐리어로 사용 실리콘-코발트 양극 재료핵심 요건은 잘 발달된 메조기공 구조(2~50nm)입니다. 메조기공은 실리콘 나노입자와 완충액 부피 확장을 위한 공간을 제공합니다. 미세기공(<2nm)은 추가적인 리튬 저장 공간을 제공하고 전도도에 영향을 미칩니다. 미세기공/메조기공 비율, 기공 부피, 크기 분포 및 표면 화학은 정밀하게 제어되어야 합니다. 페놀 수지 기반 소재는 높은 조정 가능성으로 인해 탁월한 성능을 보입니다. 성능 지표에는 표면적, 기공 부피, 실리콘 함량, 1차 사이클 효율 및 사이클 안정성이 포함됩니다.
경질 탄소 양극: 주로 나트륨 이온 전지에 사용됩니다. 하드 카본은 수지(페놀 또는 퓨란 수지) 또는 바이오매스를 저온(1000~1400°C)에서 탄화시켜 생산됩니다. 많은 결함, 닫힌 기공, 그리고 흑연과 유사한 미세 결정 구조를 가지고 있습니다. 높은 용량, 우수한 속도 성능, 저온 성능, 그리고 낮은 전압 안정기(plateau)를 요구합니다.
슈퍼커패시터 전극 탄소: 매우 넓은 표면적(주로 미세기공)과 우수한 전도성이 필요합니다. 수지 기반(특히 페놀 수지) 활성탄 마이크로스피어가 가장 적합합니다.
흡착/촉매 다공성 탄소: 흡착물이나 촉매 반응에 따라 특정 기공 구조와 표면 기능 그룹이 필요합니다.
형태학에 기반
구면/준구면: 유동성이 우수하여 균일한 전극 슬러리 코팅에 적합하며, 겉보기 밀도가 높습니다. 페놀 수지 기반 소재는 유화 중합이나 현탁 중합을 통해 쉽게 제조할 수 있습니다.
불규칙한 블록/파우더: 제조가 비교적 간단하고 비용도 약간 저렴합니다. 하지만 전극 처리 성능에 영향을 미칠 수 있습니다.
핵심 제조 공정
수지 기반 다공성 탄소의 제조는 고분자 전구체 선정, 성형, 경화(가교), 탄화, 그리고 활성화 과정에 달려 있습니다. 이러한 공정들은 제품의 구조, 성능, 그리고 비용에 직접적인 영향을 미칩니다.
전구체 합성 및 성형
- 합성수지 제조: 예를 들어, 페놀 수지는 페놀과 포름알데히드의 축합을 통해 합성됩니다.
- 바이오매스 유래 수지 합성: 리그닌, 셀룰로오스와 같은 바이오매스 정제 제품은 가교 가능한 수지 중간체로 전환됩니다.
조형
- 구형 형성: 유화 중합(수중유 또는 유중수)과 현탁 중합은 구형 페놀 수지 미세구체를 만드는 주요 방법입니다. 주요 요소로는 유화제, 분산제, 교반 속도 및 온도 조절이 있습니다.
- 블록/기타 모양: 방법에는 용액 주조, 성형, 압출 등이 있습니다.
경화(가교):
이는 수지 전구체에 3차원 네트워크 구조를 형성하여 고온 처리 중에도 형상을 유지하고 목표 기공 구조를 형성합니다. 페놀 수지는 일반적으로 150~200°C의 열 경화가 필요합니다. 가교 정도는 탄화 수율과 탄소 골격 강도에 직접적인 영향을 미칩니다.
탄화
전구체는 불활성 분위기(N₂, Ar)에서 고온(600~1200°C)으로 처리되어 유기 고분자를 무기 탄소로 전환합니다. 이 공정에는 열분해, 방향족화, 그리고 저분자 제거가 포함됩니다. 가열 속도, 최종 온도, 그리고 가열 시간은 미세결정 구조 형성 및 초기 기공 형성에 매우 중요합니다.
활성화(모공 형성)
이 단계를 거치면 재료에 높은 표면적과 풍부한 기공이 생깁니다.
- 신체 활성화: 고온(700~1000°C)의 수증기 또는 이산화탄소는 탄소를 산화시키고 탄소 원자를 선택적으로 에칭하여 기공을 형성합니다. 이 방법은 환경 친화적이지만, 주로 미세기공이 생성되고 메조기공은 감소합니다.
- 화학적 활성화: 탄화 전 또는 후에 전구체를 화학 활성제(KOH, NaOH, ZnCl₂, H₃PO₄)로 함침시키고 불활성 분위기(450~900°C)에서 가열합니다. 활성제는 기공 형성을 높은 효율로 촉진하여 미세기공과 메조기공이 혼합된 형태를 형성합니다.
- 템플릿 메서드: 수지 합성 또는 성형 과정에서 템플릿(예: 나노 SiO₂ 구 또는 블록 공중합체)을 첨가합니다. 탄화 및 활성화 후 템플릿을 제거하면 질서 있는 메조포러스 탄소가 생성됩니다. 이 방법은 정밀하지만 비용이 많이 들고 복잡하여 대량 생산이 어렵습니다.
치료 후
산 세척/물 세척(잔류 활성제 및 재 제거), 건조, 선별 및 표면 개질 (예: 전도성과 젖음성을 향상시키기 위한 질소 도핑).
에픽 파우더
첨단 음극재에 대한 수요가 증가함에 따라, 수지 기반 다공성 탄소는 고성능 리튬 이온 배터리 및 슈퍼커패시터 개발의 핵심 요소로 자리 잡았습니다. 초미세 분쇄 및 가공 기술에 대한 전문성을 갖춘 Epic Powder는 이러한 혁신적인 소재 생산을 위한 맞춤형 솔루션을 제공합니다. 제트 밀, 볼 밀, 공기 분급기와 같은 최첨단 분쇄 장비를 통해 Epic Powder는 수지 기반 다공성 탄소의 제조를 최적화합니다. 여기에는 입자 크기, 기공 구조 및 표면 특성에 대한 정밀한 제어가 포함되어 실리콘-탄소 음극재와 같은 응용 분야에서 향상된 전기화학적 성능을 보장합니다. Epic Powder의 최첨단 솔루션은 고품질, 고용량, 고속 충전 에너지 저장 소재의 효율적인 제조를 지원하여 에너지 저장 기술의 지속적인 혁신에 기여합니다.
