최근 신에너지 자동차의 급속한 발전으로 배터리 성능에 대한 요구가 더욱 높아지고 있습니다. 기존의 흑연 기반 음극재는 비용량이 낮아 수요를 충족하기 어렵습니다. 규소 이론 비용량이 매우 높아 배터리 성능을 효과적으로 향상시킬 수 있습니다. 음극재로서 개발 잠재력이 매우 높습니다. 실리콘 원료, 입자 형태, 그리고 가공 방법은 배터리 성능에 큰 영향을 미칩니다. 실리콘 기반 음극.
실리콘 기반 음극의 실리콘 공급원을 살펴보겠습니다.
규조토, 제올라이트, 모래 및 기타 미네랄 실리콘 공급원
광물 실리콘은 오늘날 가장 풍부하고 널리 분포하는 실리콘 공급원입니다. 주로 모래, 제올라이트, 장석, 점토와 같은 산화규소와 규산염 형태로 존재합니다. 실리콘 광물은 높은 실리콘 함량과 높은 경도, 열 안정성, 그리고 화학적인 안정성. 일부 실리콘 광물은 미세구조에 수많은 작은 기공을 가지고 있어 비표면적이 넓습니다. 이는 다공성 실리콘 기반 음극 소재 제조에 적합합니다.
규조토
규조토는 고대 바다에서 발견된 미세한 규조류의 잔해가 퇴적되어 형성된 퇴적물입니다. 지구상에 저장 용량이 큰 규산질 암석으로 널리 분포합니다. 규조토의 주요 화학 성분은 SiO₂이며, 최대 함량은 941TP₃T입니다. 또한, 미량의 금속 불순물과 유기물을 함유하고 있습니다. 규조토에서 얻은 SiO₂는 우수한 다공성 구조를 가지고 있습니다. 바이오매스 실리콘 원료에 비해 탄소 함량은 적지만 규소 함량은 더 높습니다. 실리카 구조는 독특하고 고도로 정렬된 3차원 네트워크 구조를 나타냅니다. 간단한 추출 및 합성을 통해 다공성 나노 실리콘 소재를 사용하여 실리콘 기반 음극을 제조할 수 있습니다.
클리노프틸로라이트
클리놉틸로라이트는 주로 규산염으로 구성되며, 높은 규소 함량(57%–70%)과 복잡한 케이지형 채널 구조를 가지고 있습니다. 이 구조는 균일한 다공성 규소 기반 음극 소재를 제조하는 데 유용합니다. 연구진은 기계적 연삭을 통해 클리놉틸로라이트의 내부 전달 채널을 개방합니다. 그런 다음 열을 가하여 마그네슘 열환원 반응을 촉진하여 규소 원소를 추출합니다. 또한, 기상 증착법을 사용하여 나노규소 표면에 톨루엔을 균열시켜 탄소 박막을 형성합니다. 이를 통해 스펀지와 같은 구조의 나노다공성 규소 기반 음극 소재가 생성됩니다. 이러한 기공은 충방전 사이클 동안 규소 기반 음극의 부피 변화를 효과적으로 완충합니다. 이는 소재의 기계적 무결성을 보장하며, 제조가 간단하고 사이클 안정성이 우수하다는 장점이 있습니다.
모래
모래의 주성분은 석영으로, 다른 규소 광석에 비해 매장량이 풍부하고 비용이 저렴하며 추출이 용이하다는 장점이 있습니다. 그러나 모래 속 이산화규소는 공유 산소 원자를 통해 연결된 수많은 SiO₄ 사면체로 구성되어 강력한 규소-산소 네트워크를 형성합니다. 이 구조는 매우 안정적이어서 활용이 어렵습니다. 연구진은 마그네슘 환원 과정에서 발생하는 열을 흡수하기 위해 NaCl을 사용하여 입자의 용융을 방지합니다. 바닷모래에서 나노규소를 추출하고, 아세틸렌을 고온 열분해하여 탄소를 얻습니다. 코팅 실리콘 입자에 대한 것입니다. 이를 통해 잘 코팅된 실리콘-탄소 음극 소재가 생성됩니다.
벼 껍질과 갈대와 같은 바이오매스 실리콘 공급원
실리콘이 풍부한 식물에는 다음이 포함됩니다. 쌀겨, 갈대, 속새, 차잎, 대나무. 규소 함량은 식물마다 다릅니다. 바이오매스에서 규소는 주로 줄기, 나무껍질, 잎에 유리 실리카 형태로 존재합니다. 화학 반응을 통해 원소 형태의 다공성 규소로 전환됩니다. 이어서 탄소 코팅 공정을 통해 규소 기반 음극재를 제조합니다.
바이오매스 내 실리카는 환원 후에도 다공성 구조를 대부분 유지할 수 있습니다. 실리콘 기반 음극재를 제조하는 과정에서 간단한 공정을 통해 다공성 구조를 보존할 수 있습니다. 이를 통해 재료의 내부 공간을 효과적으로 증가시켜 충방전 사이클 동안 실리콘의 부피 팽창을 완화할 수 있습니다. 실리콘 기반 음극재를 제조하기 위한 실리콘 공급원으로 바이오매스를 사용하는 것은 폭넓은 가용성과 지속가능성이라는 장점을 가지고 있습니다. 이는 현재의 저탄소 및 친환경 개발 개념과 일치하므로 이상적인 실리콘 공급원입니다.
벼 껍질은 쌀의 부산물로, 매년 전 세계적으로 1억 톤 이상 생산됩니다. 벼 껍질의 구성은 품종과 원산지에 따라 다르지만, 주로 리그닌, 셀룰로스, 헤미셀룰로스, 그리고 실리카로 구성됩니다. 일반적으로 벼 껍질을 태운 후 남는 재는 껍질 질량의 약 20%를 차지하며, 실리카 함량은 87~97%에 이릅니다. 소성, 세척, 불순물 제거, 환원 반응 등의 방법을 통해 벼 껍질에서 원소 실리콘을 추출할 수 있습니다. 벼 껍질의 실리카는 다공성 구조를 가지고 있으며, 간단한 반응으로 3차원 다공성 나노실리콘을 얻을 수 있습니다. 이 실리카가 유기 탄소와 결합하면 재료의 전기화학적 성능이 향상됩니다.
벼 껍질 외에도 갈대는 실리콘 기반 양극 소재로 적합합니다. 갈대는 나노 크기의 실리카가 규칙적으로 배열되어 있으며, 플레이크 형태의 3차원 층상 구조를 가지고 있습니다. 간단한 마그네슘 열 환원 반응을 통해 다공성이 높은 3차원 실리콘을 얻을 수 있습니다.
실란 및 기타 화학 가스 실리콘 공급원
실리콘 기반 양극 제조에는 실란(SiH₄), 트리클로로실란(SiHCl₄), 사염화규소(SiCl₄)를 포함한 기체 실리콘 공급원이 일반적으로 사용됩니다. 이러한 기체 실리콘 공급원은 CVD와 같은 기상 증착 기술에 사용되어 적절한 조건에서 나노 실리콘을 제조할 수 있습니다. 그중 실란은 실리콘 기반 양극 제조에 사용되는 주요 기체 실리콘 공급원입니다. 실리콘-수소 화합물인 실란은 이러한 목적으로 주로 메틸실란(SiH₄) 형태로 사용됩니다. 일반적으로 기상 증착법이 사용되며, 실란이 분해되어 기판에 부착되는 나노 실리콘을 생성합니다.
탄소 코팅은 탄소가 포함된 가스를 분해하여 이루어지며, 그 결과 실리콘-탄소 양극 소재가 생성됩니다.
기체 실리콘 소스는 차세대 실리콘-탄소 음극 소재 제조에 적합합니다. 나노 실리콘 입자를 더 작게 만들고 표면을 개질함으로써 실제 사용 시 부피 팽창 문제를 효과적으로 해결할 수 있습니다. 그러나 실란과 같은 기체 실리콘 소스는 매우 불안정하고 가연성이며 독성이 있습니다. 따라서 안전성과 안정성을 보장하기 위해 제조 및 사용 과정에서 온도, 압력 및 가스 유량을 엄격하게 제어해야 합니다. 이로 인해 생산 장비, 공정 제어 및 생산 비용 증가에 대한 요구 사항이 높아집니다.
태양광 실리콘 폐기물 및 기타 폐기물
태양광 실리콘은 제조 과정에서 절단 및 성형이 필요한 경우가 많으며, 이로 인해 가장자리와 모서리에서 발생하는 실리콘 폐기물이 발생합니다. 태양광 실리콘의 광범위한 사용으로 인해 실리콘 폐기물 발생량이 매년 증가하고 있습니다. 실리콘 폐기물은 저렴하고 쉽게 구할 수 있으며, 순도가 비교적 높고 불순물 함량이 낮아 실리콘 기반 음극 소재 제조에 적합합니다.
복잡한 제조 공정과 높은 재료비 문제를 해결하기 위해 연구진은 산업용 태양광 절단 실리콘 폐기물을 실리콘 공급원으로 활용했습니다. 고에너지 볼 밀링을 통해 실리콘을 나노 크기로 분쇄합니다. 그런 다음, 수크로오스를 탄소원으로 사용하여 나노실리콘을 코팅하여 Si@C 마이크로구형 음극재를 제조합니다. 이 방식은 재료비를 절감하고 제조 공정을 간소화합니다. 코팅 구조 설계는 나노실리콘을 내부에 캡슐화하여 전해질과의 직접적인 접촉을 방지하고 전해질 소비를 줄입니다. 나노실리콘은 탄소 구 내에서 부피 변동을 겪으면서 탄소 재료와의 접촉을 양호하게 유지하고 리튬 이온의 빠른 이동을 가능하게 합니다.
재활용 석영 유리는 처리 후 안정적인 사이클 성능을 가진 실리콘 음극 소재를 생산할 수 있습니다. 연구진은 폐기된 깨진 유리를 사용하여 마그네슘 열 환원을 통해 Si 상호 연결 네트워크를 직접 얻었습니다. 표면을 탄소 소재로 코팅한 후, 이 소재를 배터리로 조립했습니다. 전류 밀도 C/2에서 400 사이클 후에도 용량은 1420 mAh/g로 유지되었습니다. 표면의 탄소 코팅은 실리콘 소재의 팽창을 제한하는 데 한계가 있으며, 이는 초기 사이클에서 상당한 용량 손실의 주요 원인입니다. 그러나 유리 처리 후 유지된 구조는 뛰어난 팽창 방지 성능을 제공하여 최대 74%의 용량 유지율을 달성했습니다.
결론
결론적으로, 실리콘 기반 음극재의 "실리콘"은 다양한 공급원에서 얻을 수 있습니다. 광물, 식물, 폐기물, 그리고 기체 실리콘 공급원 등에서 얻을 수 있습니다. 기술의 발전으로 이러한 실리콘 공급원의 활용은 더욱 효율적이고 지속가능해지고 있습니다. 이러한 다양한 실리콘 공급원은 실리콘 기반 음극재 개발에 다양한 가능성을 제공하며, 이는 고성능 배터리 기술 개발을 촉진할 잠재력을 가지고 있습니다.
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