미래의 디자인리튬-이온 배터리순수 전기 자동차, 플러그인 하이브리드 전기 자동차, 고정식 에너지 저장 시스템과 같은 고-에너지-소모 장치의 수요를 충족할 수 있어야 합니다.- 개발 중인 신규 음극재의 경우 용량이 핵심 성과 지표 중 하나이다. 다양한 반응 메커니즘을 기반으로 이론적 용량이 높은 일부 후보 물질에는 실리콘(Si), 게르마늄(Ge), 일산화규소(SiO), 주석(Sn) 및 산화물(SnOz)이 포함되며, 일반적인 용량 범위는 783mA·g(SnOz의 경우) ~ 4211mA·h/g(Si의 경우)입니다. 이러한 합금 소재는 기존 흑연(372mA·bg) 및 티탄산리튬(LTO, 175mA·Ng)에 비해 더 높은 비용량 이점을 나타내지만, 충전 및 방전 중에 겪는 부피 변화와 초기 비가역 용량 손실로 인해 수명이 제한됩니다. 이러한 문제를 극복하기 위해 연구자들은 입자 크기를 나노 규모로 줄이고 활성 또는 비활성 금속 리튬 구성 요소를 포함하는 복합 재료 시스템을 구축하려는 시도와 같은 다양한 전략을 탐구했습니다. 이러한 방법 중에서 활성 리튬 금과 합금 재료를 결합하여 전도성 완충 기판을 형성하는 방법은 사이클 성능을 향상시키는 잠재력을 보여주었습니다. 또한, 나노와이어 또는 나노튜브와 같은 다양한 형태의 나노구조를 사용하는 것도 고용량, 우수한 속도 성능 및 긴 사이클 수명을 결합한 이상적인 양극 재료를 달성하는 효과적인 접근 방식임이 입증되었습니다.
Si--실리콘 기반 음극재
실리콘- 기반 음극 소재는 주로 순수 실리콘, 실리콘 산화물, 실리콘/탄소 복합재로 구성됩니다. 높은 이론 용량, 환경 친화성 및 풍부한 천연 매장량으로 인해 차세대 -고-에너지-밀도 리튬-이온 배터리 양극을 위한 이상적인 선택으로 널리 간주됩니다. 중국 과학자들은 리튬-이온 배터리에 나노 규모의 실리콘을 적용하는 개념을 세계 최초로 제안했습니다. 중국의 풍부한 실리콘 자원과 세계 최고의-원소 실리콘 생산 능력을 고려할 때, 실리콘 기반 양극 재료와 리튬{11}}이온 배터리에 대한 응용에 대한 연구 개발 노력을 늘리는 것은 미래 고성능 리튬-이온 배터리의 핵심 기술을 익히는 데 큰 의미가 있습니다.
전통적인 흑연 양극 재료에 비해 실리콘은 더 높은 이론적 비용량(4211mA·h/g)과 상대적으로 낮은 탈리튬화 전위(0.5V)를 나타냅니다. 특히 실리콘의 작동 전압은 흑연보다 약간 높습니다. 그림 5-9는 실리콘 결정 내의 특정 원자 배열을 보여줍니다. 충전 시 실리콘을 양극으로 사용하면 표면 리튬 도금을 줄여 배터리 안전성을 높일 수 있다. 게다가, 실리콘은 풍부하고 저렴합니다. 그러나 리튬{11}}이온 배터리 양극에 실리콘을 적용하는 데에도 몇 가지 과제가 있습니다. 실리콘은 반도체 재료로서 전도성이 좋지 않습니다. 여러 번의 충전-사이클 후에 리튬{14}}이온 삽입 및 방출로 인한 상당한 부피 변화로 인해 재료가 파손되어 구조적 안정성에 영향을 미치고 잠재적으로 집전체에서 활물질이 분리되어 배터리의 사이클 수명에 심각한 영향을 미칠 수 있습니다. 더욱이, 이러한 부피 팽창은 실리콘 표면에 안정적이고 효과적인 고체{17}}상태 전해질 인터페이스(SED) 필름의 형성을 방해합니다. 탄소 매트릭스 내에 순수 실리콘 또는 그 화합물을 균일하게 분산시키면 이러한 문제를 어느 정도 완화할 수 있습니다. 한편으로는 복합 재료의 전반적인 전자 전도성을 향상시킵니다. 반면, 탄소의 존재는 실리콘 부피 변화로 인한 응력을 완화하여 전극 구조의 손상을 줄이는 데 도움이 됩니다. 동시에 탄소는 SEI 필름의 안정적인 형성을 촉진할 수 있습니다. 따라서 실리콘과 탄소의 장점을 결합한 복합 재료는 차세대 -고밀도-에너지-리튬 이온 배터리를 위한 이상적인 양극 후보 중 하나로 간주됩니다.
SiO
실리콘 외에도 일산화규소(SiO)도 이론적 용량이 1600mA·h/g를 초과하므로 리튬{0}}이온 배터리용 양극 재료 후보로 간주됩니다. 또한 리튬-산소 배위는 충전 및 방전 중에 부피 변화가 더 적고 활성화 에너지가 더 낮다는 것을 의미합니다. 이 공정 중 잠재적인 전기화학 반응에는 SiO가 Si 및 Li2O로 전환되고 이어서 Li와 실리콘-리튬 합금이 형성되는 현상이 포함됩니다. 또는 실리콘-리튬 합금 및 LixSiO2의 직접 형성. 순수한 고체 SiO는 어떤 온도에서도 열역학적으로 불안정하므로 특정 조건에서 불균등화 반응을 통해 Si와 SiO2로 분해될 수 있다는 점은 주목할 만합니다. 실리콘과 마찬가지로 SiO도 리튬 삽입 및 추출 중에 상당한 부피 팽창 또는 수축을 겪습니다. 또한 SiO는 전도성이 낮기 때문에 리튬-이온 유입 및 유출 속도가 느려집니다. 이러한 문제를 해결하고 가역 용량을 향상시키며 주기 안정성을 개선하기 위해 연구자들은 다양한 전략을 모색해 왔습니다. 이 중에서 탄소 코팅 기술, SiO2에서 리튬의 전기화학적 환원, SiO2 입자 크기 감소가 특히 효과적인 접근법으로 간주됩니다. 특히, 더 작은 입자 및 탄소 코팅과 결합하면 리튬 이온의 확산 경로를 효과적으로 단축하는 동시에 전자 및 이온 전도 효율을 향상시켜 앞서 언급한 문제를 극복할 수 있습니다.
GE
게르마늄은 Liz2Ge5 화학양론적 비율에서 높은 리튬 저장 용량(1623mA·h/g)과 가역적인 리튬 삽입 및 추출 과정으로 인해 리튬{0}}이온 배터리 양극 재료 연구에서 큰 주목을 받았습니다. 게르마늄은 실리콘보다 가격이 비싸고 용량도 약간 낮지만, 전도성이 실리콘의 10,000배에 달하고 밴드갭이 0.67eV에 불과한 등 상당한 장점을 갖고 있습니다. 연구에 따르면 게르마늄의 리튬 이온 확산 속도는 360도에서는 실리콘보다 15배, 실온에서는 400배 더 빠른 것으로 나타났습니다. 이러한 특성은 게르마늄에 뛰어난 -전류 방전 성능과 더 높은 전하 수송 효율을 제공합니다. 이러한 높은{15}}전력 성능은 전기 자동차와 같이 고성능 전력 출력이 필요한 애플리케이션에 특히 중요합니다.- 그러나 실리콘과 마찬가지로 게르마늄도 최대 300%의 부피 팽창 문제에 직면해 있으며, 이는 리튬{19}}이온 배터리에 실제 적용하는 데 장애물이 되었습니다. 나노입자, 나노와이어 또는 나노튜브와 같은 나노구조 설계를 사용하면 부피 변화의 부정적인 영향을 효과적으로 완화하여 쿨롱 효율을 향상시킬 수 있습니다. 고체 상태 열분해와 같은 간단한 방법을 사용하여 게르마늄 나노입자- 전도성 기판 복합재를 제조하면 전극의 전기화학적 성능을 더욱 최적화할 수 있다는 점은 주목할 가치가 있습니다.
이산화 주석
Fujifilm이 최초로 개발한 이산화주석(SnO2)은 이론 용량이 높고 작동 전압(LiLi에 비해 약 0.6eV)이 낮기 때문에 리튬{1}}이온 배터리용 음극 재료로 널리 주목을 받고 있습니다. 전기화학 반응 과정에서는 먼저 부분적으로 비가역적인 단계를 거치는데, 여기서 SnO2는 금속 주석(Sn)과 산화리튬(LiO)으로 환원됩니다. 이후 주석{5}}리튬 합금의 형성과 분해를 포함하는 가역적 단계가 발생합니다. 이론적으로 SnO2 1몰은 8.4몰의 리튬과 반응할 수 있으며, 이는 이론 용량 1491mA·h/g에 해당합니다. 그러나 초기 환원 반응의 낮은 가역성을 고려하여 실제 적용에서는 후속 합금/탈합금 공정에 의해 기여된 유효 용량-약 783mA·h/g-만이 일반적으로 고려되며 이 값은 SnO2 재료의 실제 이론 용량으로 사용됩니다. 또한 충전-주기 동안 이 소재는 상당한 부피 팽창(200% 이상)을 겪어 심각한 용량 손실을 초래합니다. 이를 위해 연구진은 다양한 방법을 통해 SnO2의 순환 안정성을 향상시키고 부피 변화에 따른 비가역적 용량 손실을 줄이기 위해 노력하고 있다.