실리콘 기반 양극 이론 비용량은 4200mAh/g입니다. 이는 기존 흑연 음극의 372mAh/g를 훨씬 능가합니다. 이는 기존 음극의 성능 병목 현상을 해결하는 핵심 방향이 되었습니다. 화학 기상 증착(CVD) 기술은 탄소 기판에 실리콘을 균일하게 증착할 수 있습니다. 또한 안정적인 실리콘-탄소 계면을 형성합니다. 이 공정은 실리콘-탄소 음극 상용화의 핵심 경로가 되었습니다. 이 공정에서 다공성 탄소 재료 단순한 "캐리어"가 아닙니다. CVD 실리콘-탄소 양극의 성능 한계를 결정하는 "핵심 스캐폴드"입니다. 이들의 성능은 복합 재료의 전기화학적 성능과 상용화 가능성에 직접적인 영향을 미칩니다.
다공성 탄소의 기본 이해
다공성 탄소는 상호 연결된 기공을 가진 탄소 기반 물질입니다. IUPAC 표준에 따르면 기공은 미세기공(<2nm), 메조기공(2~50nm), 거대기공(>50nm)으로 분류됩니다. 다양한 기공 크기의 구조적 특성은 CVD 실리콘-탄소 양극에서의 기능을 결정합니다.
다공성 탄소는 전기 저항이 낮습니다. 고온, 산, 염기에 대한 내성이 우수하며, 안정적인 전도성 네트워크를 형성하여 전극 사이클 수명을 보장합니다. 다양한 CVD 실리콘-탄소 양극 성능 요건을 충족하기 위해 공정 중에 기공 비율과 기공률을 조절할 수 있습니다.
CVD 실리콘-탄소 양극에서 다공성 탄소의 핵심 역할 및 장점
현재 CVD 실리콘-탄소 양극의 산업화는 두 가지 주요 과제에 직면해 있습니다.
실리콘 볼륨 확장 리튬 삽입 중에 전극 분쇄 및 활물질 탈락이 발생합니다.
부작용 실리콘과 전해질 사이에 두꺼운 SEI 층이 형성되어 배터리의 첫 번째 사이클 효율과 사이클 수명이 감소합니다.
다공성 탄소는 다음 두 가지 문제에 대한 해결책을 제공합니다.
실리콘의 부피 확장을 버퍼링합니다.
다공성 탄소의 다층 기공 구조는 "3단 완충 시스템"을 형성합니다. 이 기공은 실리콘이 팽창할 수 있는 물리적 공간을 제공합니다. 또한 탄성 변형을 통해 응력을 분산시켜 입자 파괴 위험을 줄입니다. 메조기공은 실리콘 입자 크기에 맞춰 형성됩니다. 리튬이 삽입되면 실리콘이 팽창하여 이러한 기공을 채워 입자 간의 상호 압축을 방지합니다.
전해질로부터 실리콘을 분리하고 SEI 층을 안정화합니다.
한편, 다공성 탄소의 탄소 골격은 실리콘 나노입자를 감싸고 있습니다. 이는 실리콘과 전해질 사이의 직접적인 접촉을 줄여줍니다. CVD는 또한 2차 탄소 코팅을 통해 다공성 탄소/실리콘 복합재 표면에 치밀한 탄소층을 형성합니다. 이러한 이중 분리는 부반응을 60% 이상 감소시킵니다. 또한, 부반응 감소는 실리콘 입자의 균열로 인한 SEI층 형성 및 탈락을 방지하여 에너지 변환 효율과 사이클 수명을 향상시킵니다.
다공성 탄소의 제조 방법
활성화 방법
활성화법은 탄소 전구체와 활성화제를 혼합하고 고온의 불활성 가스 조건에서 기공 형성 반응을 수행하는 것을 포함합니다. 이 방법에는 물리적 활성화와 화학적 활성화가 포함됩니다.
(1) 신체 활성화:
바이오매스 또는 코코넛 껍질이나 무연탄과 같은 석탄 기반 재료를 전구체로 사용합니다. 분쇄 및 불순물 제거 후, 고온에서 탄화시켜 초기 탄소 골격을 형성합니다. 그런 다음 800~1100°C에서 CO₂ 또는 증기를 활성화제로 사용하여 탄소 골격을 에칭하고 기공을 생성합니다. 냉각 및 선별 과정을 거쳐 제품이 완성됩니다. 이 방법은 화학 시약 잔류물이 없고 비용이 저렴하며 중저가 제품에 적합한 친환경적인 방법입니다. 다공성 탄소 생산그러나 메조기공 함량은 일반적으로 50% 이하로 제한되어 높은 실리콘 함량 요구 사항을 충족하지 못할 수 있습니다.
(2) 화학적 활성화:
페놀 수지나 무연탄과 같은 고탄소 재료가 전구체로 사용됩니다. 전구체는 활성화제와 3:1 비율로 혼합됩니다. 그런 다음 탄화 및 활성화를 위해 가열합니다. 반응 후, 활성화제는 세척되고 재료는 건조됩니다. 화학적 활성화를 통해 제조된 다공성 탄소는 메조기공 함량이 더 높고, 기공 구조 제어가 더 강력하며, 표면적이 최대 2500~3000m²/g에 달합니다.
템플릿 메서드
템플릿법은 탄소 전구체를 템플릿에 채우고 고온에서 가열하는 방식입니다. 전구체가 점차 탄화되면 템플릿을 제거하여 다공성 탄소를 얻습니다. 이 방법은 경질 템플릿법과 연질 템플릿법으로 나뉩니다.
(1) 하드 템플릿 방법:
알루미나 또는 고정된 기공 구조를 가진 분자체와 같은 재료를 템플릿으로 사용합니다. 전구체를 템플릿 기공에 함침시킵니다. 800~1000°C에서 탄화시킨 후, 산을 사용하여 템플릿을 용해하여 상보적인 기공 구조를 가진 다공성 탄소를 얻습니다. 이 방법은 90% 이상의 메조기공 질서도와 5% 미만의 기공 크기 편차를 달성합니다. 실리콘의 균일한 증착을 보장하지만, 템플릿 비용이 높고 공정이 복잡합니다. 따라서 실험실 연구 또는 소규모 고가 생산에 사용됩니다.
(2) 소프트 템플릿 방법:
블록 공중합체 또는 계면활성제가 주형으로 사용됩니다. 이들은 수크로오스나 페놀 수지와 같은 탄소 전구체와 혼합되면 메조포러스 미셀로 자가조립됩니다. 이후 혼합물을 600~800°C에서 탄화시킵니다. 이 방법을 사용하면 구조의 60~70%로 구성된 메조포러스 미셀을 얻을 수 있으며, 경질 주형법보다 비용이 저렴합니다.
졸-겔법
졸-겔법은 알코올 염이나 금속 무기염을 용매와 혼합하여 용액을 형성하고, 이 용액이 가수분해 및 축합 반응을 거쳐 졸-겔을 형성하는 공정입니다. 숙성, 건조, 저온 소결 과정을 거치면 다공성 탄소가 생성됩니다. 졸-겔 합성 과정에서 건조 과정에서 기공 붕괴가 발생할 수 있습니다. 이를 방지하기 위해 템플릿법을 졸-겔법과 함께 사용하는 경우가 많습니다.
에픽 파우더
에픽 파우더는 20년 이상의 분말 가공 경험을 보유하고 있습니다. 파쇄, 분쇄, 분류 에게 가감다공성 탄소 재료의 제조를 최적화함으로써 CVD 실리콘-탄소 애노드의 성능 향상과 장기 사이클을 보장하여 고성능 리튬 이온 배터리의 상용화에 기여합니다.
