리튬이온전지에 실리콘계 음극재의 응용

신에너지 자동차, 에너지 저장 및 기타 시장의 활발한 발전으로 리튬 배터리 및 음극재의 시장 규모와 기술 수준이 지속적으로 향상되고 있습니다. 현재 상용 흑연 음극재의 비용량은 흑연 재료의 이론 비용량에 가깝고 실리콘 기반 음극재의 상업적 응용이 더욱 가속화되었습니다.

실리콘 기반 음극재는 매우 높은 이론 비용량으로 인해 리튬 이온 배터리 음극재 연구의 핫스팟이 되었습니다. 실리콘 음극재의 이론 비용량은 상용 흑연 음극재보다 훨씬 높고 작동 전압이 적당하여 실리콘 기반 음극재가 배터리 에너지 밀도를 개선하는 데 상당한 이점이 있습니다. 그러나 충전 및 방전 중 실리콘의 부피 팽창 및 수축이 너무 커서 재료 균열 및 파편화가 발생하고 SEI 필름이 지속적으로 두꺼워져 배터리의 사이클 안정성과 속도 성능에 심각한 영향을 미칩니다.

리튬 이온 배터리 응용 분야에서 실리콘 기반 음극 재료의 결함을 해결하기 위해 연구자들은 나노기술, 복합 재료 기술, 구조 설계, 표면 개질, 전해질 최적화, 사전 리튬화, 다공성 실리콘 및 합금 실리콘 등 다양한 기술적 경로를 제안했습니다.

이러한 기술적 경로는 실험실 연구에서 산업적 응용에 이르기까지 모든 단계를 포괄하며, 나노 크기 조정 및 복합 재료 기술을 통해 체적 확장 문제를 완화하고, 구조 설계 및 표면 개질을 통해 전도도와 안정성을 개선하며, 전해질 시스템을 최적화하여 배터리의 전반적인 성능을 향상시킵니다. 사전 리튬화 기술은 초기 쿨롱 효율을 개선할 수 있고, 다공성 실리콘 구조는 체적 변화를 완화하는 데 도움이 되며, 합금 실리콘은 더 높은 용량과 안정성을 제공할 수 있습니다. 이러한 기술적 경로를 포괄적으로 적용하면 고성능, 장수명 및 저비용 실리콘 기반 음극 재료를 달성하고 실용적인 응용 분야에서 널리 보급될 것으로 예상됩니다.

현재 실리콘-탄소 재료와 실리콘-산소 재료는 실리콘 기반 음극의 두 가지 주요 기술적 경로입니다.

그 중에서도 실리콘-탄소 음극재는 높은 1차 쿨롱 효율로 알려져 있지만, 사이클 수명을 개선해야 합니다. 실리콘 소재의 나노 사이징을 실현함으로써 충전 및 방전 과정에서 발생하는 팽창 및 파손 문제를 줄여 사이클 수명을 더욱 향상시킬 수 있습니다. 상대적으로 실리콘-산소 음극재의 주요 장점은 1차 효율이 낮지만 사이클 안정성이 우수하다는 것입니다. 그러나 사전 리튬화와 같은 기술적 수단을 채택함으로써 1차 효율을 효과적으로 개선할 수 있습니다.

상업적 응용 측면에서 현재 실리콘 기반 음극재의 주요 상업적 응용 분야는 탄소 코팅된 실리콘 산화물, 나노 실리콘 탄소, 실리콘 나노와이어 및 비정질 실리콘 합금을 포함합니다. 그 중에서도 탄소 코팅된 실리콘 산화물과 나노 실리콘 탄소는 상업화가 가장 높으며, 일반적으로 흑연과 5%-10% 비율로 혼합됩니다. 최근 몇 년 동안 실리콘 기반 음극재는 점차 산업화되고 있습니다.

고체 전지 분야에서 실리콘 기반 음극재는 높은 이론 에너지 밀도, 뛰어난 고속 충전 및 방전 성능, 우수한 안전 성능 등으로 인해 고체 전지 음극재의 주요 개발 방향 중 하나로 간주됩니다.