실리콘-탄소 양극또 다른 주요 주류 기술 경로로서 생산 공정에 있어서 상당한 차이점이 있습니다. 실리콘-산소 양극핵심적인 차이점은 나노 실리콘 분말의 제조와 탄소 기반 재료와의 복합화 방법에 있습니다. 다양한 제조 공정에 따라 실리콘-탄소 음극은 주로 모래 밀링과 화학적인 기상 증착(CVD)이 그 중 가장 유망한 미래 발전 방향으로 여겨진다.
나노실리콘 분말의 제조
나노실리콘 분말 제조는 실리콘-탄소 양극 생산의 핵심 단계입니다. 현재 산업 생산에는 세 가지 주요 방법이 있습니다. 기계적 제조와 볼 밀링, 화학 기상 증착(CVD), 그리고 플라즈마 증발 응축(PVD)이 있습니다. 기계식 볼 밀링 방식은 간단하고 비용 효율적이지만, 생산 효율이 상대적으로 낮고 불순물이 유입되기 쉬워 대규모 산업 생산에는 적합하지 않습니다. 화학 기상 증착(CVD) 방식은 실란(SiH₄)을 반응 물질로 사용하고, 열 CVD 분해를 통해 고순도 나노 실리콘 분말을 생산합니다. 입자 크기 20~100nm 사이에서 조절 가능.
샌드 밀링을 이용한 실리콘-탄소 애노드 제조
실리콘-탄소 음극 생산을 위한 샌드 밀링 방식은 비교적 전통적인 방식입니다. 이 공정은 벌크 실리콘(일반적으로 트리클로로실란 공정에서 공급)을 샌드 밀을 사용하여 나노 실리콘 분말로 분쇄한 후, 흑연 재료와 혼합하는 과정을 포함합니다. 샌드 밀링 공정에서 실리콘 분말은 적절한 양의 용매와 혼합되어 슬러리를 형성하고, 이 슬러리는 다이어프램 펌프를 통해 샌드 밀로 이송됩니다.
로터 구조와 분쇄 매체의 고속 회전을 통해 입자 미세화 및 분산이 달성됩니다. 분쇄 매체는 일반적으로 3mm 및 5mm 지르코니아 볼로 구성되며, 질량비는 1:1이고 재료 대 매체 중량비는 3:1입니다. 분쇄 시간은 1~3시간입니다. 분쇄 후, 여과, 원심분리 또는 기타 방법을 통해 매체와 재료를 분리하여 나노실리콘 슬러리를 얻습니다. 이 방법의 단점은 제어가 어렵다는 것입니다. 입자 크기, 불순물이 쉽게 유입되고 입자가 응집되는 경향이 있습니다.
컴파운딩 및 코팅 공정
합성물과 코팅 공정은 실리콘-탄소 음극의 성능에 매우 중요합니다. 혁신적인 방법은 나노실리콘, 탄소 에어로젤, 탄소 나노튜브, 흑연, 도펀트(예: 히드라진 수화물, 중탄산암모늄 등), 그리고 분산제를 특정 비율(5:15:20:30:1:10:5:10:1:10:1:5:10:1:5:40:60)로 혼합하는 것입니다. 이 혼합물을 초음파 분산시키고 모래 분쇄하여 슬러리를 형성합니다. 이 슬러리는 분무 건조 및 과립화 과정을 거칩니다. 동시에 탄소 코팅을 통해 도핑된 스펀지 형태의 실리콘 기반 음극 소재가 생성됩니다.
전문 생산 장비에는 다음과 같은 여러 모듈이 포함됩니다.
- 슬러리 공급 모듈(노즐 포함)
- 가스 공급 및 가열 모듈(불활성 가스, 코팅 가스, 도핑 가스용)
- 가공 챔버 모듈(건조, 분무 과립화, 탄소 코팅용).
- 수집 모듈.
처리 챔버에는 중탄산암모늄과 같은 도핑 물질이 담겨 있으며, 이 도핑 물질에는 배플 파티션이 장착되어 있습니다. 가스가 챔버를 통과하면서 도핑 물질과 혼합된 후 처리 공간으로 유입되어 균일한 도핑을 달성합니다.
고온 열처리
고온 열처리는 실리콘-탄소 음극 생산의 또 다른 핵심 단계입니다. 복합 전구체 물질은 불활성 분위기에서 탄화됩니다. 소성 온도는 일반적으로 1000~1500°C이며, 소요 시간은 2~5시간입니다. 이 공정은 유기 탄소원을 분해하여 전도성 네트워크를 형성합니다. 또한 실리콘과 탄소 물질 간의 결합을 강화합니다.
열처리 장비는 일반적으로 관형로 또는 회전로입니다. 온도 분포와 분위기 조성의 정밀한 제어가 필요합니다. 이는 실리콘 입자의 산화 또는 과도한 성장을 방지하기 위해 필수적입니다.
센트럴 사우스 대학교 연구팀은 결함 강화 나노결정 실리콘 기술을 개발했습니다. 이들은 결정질 실리콘 산업에서 발생하는 폐기물과 열처리 공정을 활용하여 고성능 실리콘 양극을 개발했습니다. 실리콘 함량은 최대 80wt/%에 달합니다.
실리콘-탄소 양극의 주요 제조 방법 비교
| 준비 방법 | 기술적 기능들 | 장점 | 단점 | 적용 가능한 시나리오 |
| 화학 기상 증착(CVD) | 다공성 탄소에서의 실란 열분해 및 증착 | 실리콘-탄소 결합이 단단하고 사이클 안정성이 좋으며, 1차 효율이 높습니다. | 실란은 비용이 많이 들고 안전에 대한 위험도 높습니다. | 고급형 전원 배터리 |
| 모래 밀링 | 실리콘과 흑연 복합재의 기계적 연삭 | 간단한 공정, 저렴한 비용, 산업 생산에 적합 | 입자크기 조절이 어렵고 응집이 쉬우며 불순물이 많음 | 중저가형 애플리케이션 |
| 졸겔법 | 졸겔 공정을 통한 실리콘-탄소 복합재 | 재료분산이 균일하여 높은 용량이 유지됩니다. | 탄소 껍질은 깨지기 쉽고 산소 함량이 높으면 초기 효율이 낮아집니다. | 실험 단계 |
| 고온 열분해법 | 유기규소 전구체의 고온 분해 | 대형 탄소 공극으로 부피 팽창 완화 | 실리콘 분산 불량 및 탄소층 불균일 | 특정 응용 프로그램 시나리오 |
| 기계식 볼 밀링 방법 | 실리콘과 탄소 소재의 기계적 힘 혼합 | 간단한 공정, 낮은 비용, 높은 효율성 | 심각한 응집 현상 및 전반적인 성능 | 로우엔드 애플리케이션 |
후처리
실리콘-탄소 음극의 후가공 단계에는 파쇄, 분급, 표면 처리, 소결, 선별, 그리고 탈자 처리가 포함됩니다. 실리콘-산소 음극과 비교하여, 실리콘-탄소 음극은 팽창 응력 완화와 표면 SEI(고체 전해질 계면) 피막의 안정성에 더 많은 주의를 기울여야 합니다.
CN119994008A 특허에 제안된 방법과 같은 일부 혁신적인 공정은 애노드 슬러리 내 실리콘 기반 주요 재료 입자에 대해 신중하게 설계된 입자 크기 분포를 사용합니다. 첫 번째 입자는 D50이 3~8μm, 두 번째 입자는 D50이 7~12μm, 세 번째 탄소 기반 입자는 D50이 13~16μm입니다. 이러한 설계를 통해 제조된 실리콘 기반 애노드 시트는 기존 압연 공정 없이도 높은 사이클 안정성과 에너지 밀도를 유지할 수 있습니다.
에픽 파우더
EPIC Powder는 실리콘 기반 음극재 생산을 선도하고 있습니다. 나노 실리콘 파우더, 복합 전구체, 탄소 코팅 처리 분야의 전문성을 바탕으로 EPIC Powder는 고성능 배터리 소재에 대한 증가하는 수요를 충족할 수 있는 역량을 갖추고 있습니다. 업계가 끊임없이 발전함에 따라 EPIC Powder의 혁신적인 솔루션은 에너지 밀도와 사이클 안정성을 향상시키는 데 핵심적인 역할을 수행하며, 전기 자동차 및 에너지 저장용 차세대 리튬 이온 배터리 개발에 기여하고 있습니다.