이차전지 이제는 음극재가 중요하다. 실리콘 음극재

차세대 배터리에서 양극재 기술 개선을 통한 에너지 밀도 증가는 한계에 왔기 때문에 향후 음극재 에너지 밀도를 늘리는 방향으로 기술 진보가 필요하게 되었습니다. 따라서 이번 포스팅은 실리콘 음극재 기술에 대해 알아보겠습니다.

배터리 량

실리콘 기반 음극 소재는 상업용 흑연을 대체할 유망한 후보였지만 리튬 삽입에 의한 대량 팽창을 포함하여 실리콘 기반 음극 소재의 실제 적용에는 어려움이 있었습니다. 이러한 문제를 해결하기 위해 나노 소재 실리콘 재료, 특히 3차원 다공성 구조를 가진 실리콘 기반 재료는 부피 팽창을 수용하고 리튬이온 수송 및 편리한 처리라는 고유한 장점으로 인해 많은 관심을 받고 있습니다.

 

다공성 실리콘 기반 재료는 다양한 합성 방법이 있고 공법 간의 강점과 부족한 점들이 다양한 방법의 실리콘 기반 음극에 대한 다공성 구조의 형태 진화 및 전기 화학적 효과가 현재 개발되고 있습니다. 현재 음극재 대표 소재인 인조 흑연과 천연 흑연은 이론 용량인 370mAh/g에 이미 도달한 상태로 기술 발전을 통한 개선의 여지가 별로 없지만, 실리콘 음극재는 이론 용량이 4000mAh/g에 달하고 충 충전과 방전 속도가 빨라 차세대 음극재로 주목받고 있습니다. 하지만 충전과 반정 시 부피 변화가 흑연은 15%이나 실리콘은 400% 수준에 달해 적극적으로 채택되지 못하고 있는 상황으로 실리콘 음극재가 4세대 음극재로 주목받는 이유는 실리콘 소재 10% 플러스 흑연 90% 혼합을 하는 것만으로도 흑연 100% 음극재 대비 배터리 효율이 30에서 4%로 증가하게 됩니다.

 

현재는 실리콘 소재가 100% 첨가된 음극재를 부피 팽창 문제로 상용화할 수는 없지만, 실리콘 함량을 5에서 10% 등 점진적으로 늘려가는 방향으로 개발 중이며 세계적으로 실리콘 음극재 시제품을 만드는 회사는 많지만 양산에 성공한 업체는 소수에 불과합니다. 포르세 전기차 타이칸의 실리콘 소재 5%를 시작으로 지엠, 테슬라, 폭스바겐 등 실리콘 음극재가 첨가된 배터리 양상 기술을 개발 중으로 실리콘 음극재가 탑재된 배터리는 전기차뿐만 아니라 소형 IT 기기 등으로 확장될 것입니다.

 

실리콘 음극재로 사용하기 위해서는 기공의 크기가 작아야 하고 이런 경우 나노 포러스 구조라 합니다. 나노 다공성 물질은 나노미터 단위를 사용하여 가장 적절하게 정량화되는 기공 직경을 나타냅니다. 따라서 나노다공성 물질의 기공 직경은 일반적으로 100나노미터 또는 더 작게 됩니다. 기공은 열려있거나 닫혀 있을 수 있으며 기공 연결성과 공극률은 다른 다공성 재료와 마찬가지로 상당히 다양합니다. 열린 기공은 재료의 표면에 연결되는 기공인 반면, 다친 기공은 벌크 재료 내의 빈 공간 포켓 형태입니다. 개방 기공은 분자 분리 기술 흡착 및 촉매 연구에 유용하고 예로 수소 전지 전해질막이 있고 다친 기공은 주로 단열재 및 구조용으로 사용됩니다. 이차 전지 음극활 물질 음극 소재로 활용하기 위한 다공성 실리콘 제조 방법으로 제조 공정을 단순화해 우수한 성능과 수요를 지닌 다공성 실리콘 제조법을 개발하는 것이 중요합니다.

 

새로운 물질이 들어가서 판을 뒤바꾸게 되는 케이스가 굉장히 많이 발생하는 분야가 반도체나 이차전지 또는 디스플레이 섹터이기 때문에 실리콘 음극재라는 하나의 물질 자체가 어떤 게임 체인저가 될 수도 있지 않을까? 지금까지 이차전지 트랜드와 관련해서 음극재에 관련해서 알아봤습니다.