실리콘계 음극재 시장 현황 및 확장 테스트 평가

시장현황

새로운 에너지 산업의 활발한 발전과 함께 리튬 이온 배터리는 점점 더 높은 에너지 밀도와 더 긴 수명을 지향하는 방향으로 발전하고 있습니다. 기존 흑연 음극의 이론적 그램 용량은 372mAh/g에 불과해 향후 배터리 에너지 밀도에 대한 수요를 더 이상 충족할 수 없다. 높은 이론적 그램 용량, 풍부한 함량 및 높은 리튬 삽입 전위로 인해 실리콘 기반 음극은 점차 흑연을 대체할 수 있는 차세대 리튬 배터리 음극 재료가 되었습니다.

현재 실리콘 기반 재료의 주요 개발 방향은 실리콘-탄소 복합재와 실리콘-산소 복합재입니다. 규소탄소재료는 단순한 규소를 모체로 한 후 탄소재료와 합성한 규소-산소재료는 규소원소와 이산화규소(SiO2)를 고온에서 기상침전시켜 규소나노입자가 내부에 균일하게 분산되도록 한 것이다. 이산화규소 매질을 이용하여 산화규소(SiO)를 제조한 후 탄소재료와 배합한다.

GGII 데이터에 따르면 2021년에는 약 11,000톤의 실리콘 기반 양극이 재조합되어 출하될 예정이다. 양극 74만톤 출하와 비교하면 침투율은 1.5%에 불과해 2022년 실리콘계 음극 출하량은 재결합 후 1만6000톤으로 늘어난다. 2023년에는 컴파운딩 후 실리콘계 음극 출하량이 27,000톤을 넘어설 것으로 예상되며, 향후 3년간 컴파운딩 성장률은 60%를 넘어설 것으로 내다봤다. 현재 실리콘계 음극은 전기차(일본, 미국이 대표)와 전동공구(한국이 대표) 분야에서 주로 사용되고 있다. 2020년부터 소비자 디지털 및 웨어러블 제품에 점진적인 응용 트렌드가 형성되기 시작할 것입니다. 최근 몇 년 동안 Tesla로 대표되는 파워 배터리 회사들은 실리콘 소재의 적용을 확대해 왔으며, 후속 4680 대형 실린더 파워는 실리콘 기반 음극 소재의 적용을 가속화할 것입니다. 표 1은 주요 자동차 회사 및 배터리 공장의 실리콘 기반 음극 적용 진행 상황을 보여줍니다.

표 1 실리콘 기반 음극에 대한 자동차 회사 및 배터리 공장의 적용 진행

확장 테스트 평가

실리콘계 음극의 팽창 문제는 실리콘-탄소 음극의 넓은 범위 적용에 가장 큰 걸림돌이다. 팽창으로 인한 큰 부피 변화는 한편으로는 전극의 내부 응력이 축적되어 전극이 분쇄되어 배터리의 사이클 성능과 안전성을 저하시키는 반면, 부피 변화는 또한 음극의 SEI 필름을 반복적으로 형성해야 하므로 활성 리튬 소스가 손실되고 첫 번째 쿨롱 효율이 감소합니다. 실리콘 기반 음극의 리튬 저장 메커니즘은 합금된 리튬 저장입니다. 흑연 인터칼레이션 리튬 인터칼레이션과 달리 실리콘 입자는 합금/탈합금 과정에서 엄청난 부피 팽창 및 수축을 일으키며,₁₅그리고₄단계에서 해당 최대 볼륨 확장은 300%에 도달할 수 있습니다. 산소 원자의 추가는 실리콘-산소 음극의 반응 깊이를 제한합니다. 팽창률은 120%로 감소할 수 있지만 여전히 흑연 음극의 10%-12%보다 훨씬 큽니다. 거대한 체적 팽창은 실리콘 재료 입자의 분쇄로 이어져 실리콘 입자와 도전제 사이의 전기적 접촉을 악화시킬 것입니다. 둘째, SEI 필름의 지속적인 파열 및 재생으로 이어질 것입니다. 이 프로세스는 많은 양의 활성 리튬 및 전해질을 소비하므로 배터리의 용량 감소 및 노화를 가속화합니다.

실리콘계 음극 전지의 충방전 과정 중 서로 다른 시점에서 팽창 두께를 정확하게 특성화하는 것은 소재 공장과 전지 공장을 괴롭히는 주요 난제이며, 현재 폴 피스의 스케일을 측정하는 팽창 방법과 배터리의 스케일은 주로 마이크로미터 측정, 필름 두께 측정기 측정, 레이저 두께 측정기 측정, 제조 툴링 및 압력 센서 측정을 포함합니다. 출신 연구원허페이(주)고션하이테크파워에너지.독일 마흐 밀리마 C1216을 사용하여 리튬 이온 배터리 음극의 확장에 대한 바인더의 영향을 연구했습니다.^[1]. 칭화 University의 연구원들은 레이저 두께 측정을 사용하여 소프트 팩 배터리 폴 피스 및 셀의 변형을 연구했습니다.^[2]. 에너지 스쿨소주대학교닝더 새로운 Energy의 연구원들과 협력하여 압력 센서가 있는 자체 제작 테스트 장치를 사용하여 일정한 간격에서 충전 및 방전하는 동안 파우치 배터리의 팽창력을 테스트했습니다. 사용된 장치는 그림 1에 나와 있습니다.^[삼].

그림 1. 확장 스트레스 테스트 설정

상기 방법 중 마이크로미터, 필름두께측정기, 레이저두께측정기를 사용하여 폴피스의 팽창두께를 측정하는 ~에-현장 test는 불가능하다. 충전 및 방전 후 배터리를 분해하고 다른 지점에서 측정해야 결과에 큰 편차가 발생하며 충방전 과정에서 폴 피스의 두께 변화를 정확하게 반영할 수 없습니다. 압력 센서로 툴링을 맞추는 방법은 일정한 간격에서 배터리의 팽창력만 측정할 수 있을 뿐 배터리의 실시간 팽창 두께는 측정할 수 없습니다. 충방전 과정에서 실리콘계 음극재의 두께 변화를 보다 정확하게 측정하기 위해, 광학현미경으로 현장에서 폴피스나 배터리의 두께와 상태를 관찰할 수 있습니다.^[4].

실리콘 기반 음극의 실제 테스트 요구 사항과 다양한 테스트 방법의 장단점을 기반으로 IEST는 실리콘 기반 양극에 대한 현장 팽창 분석 시스템(SWE2110, IEST) 및 현장 급속 팽창 스크리닝을 독립적으로 개발했습니다. (RSS1400, IEST) 모델 버튼 셀을 사용하여 폴 피스 레벨에서 ~에-현장 셀 팽창 테스트를 수행함과 동시에 일정 두께의 파우치 배터리에 대해 ~에-현장 셀 확장 테스트를 수행할 수 있습니다. 작동이 편리할 뿐만 아니라 테스트 비용을 크게 절감하고 실리콘 기반 재료 확장의 평가 주기를 원래 수십일에서 1-2일로 단축합니다. RSS1400의 물리적 그림은 그림 2(a)에 나와 있습니다.

그림 2. (a)실리콘 기반 양극(RSS1400, IEST)에 대한 현장 급속 팽윤 스크리닝

(b) 세 가지 다른 구조 설계를 사용한 SiC 재료의 팽윤 비교.

요약

리튬 이온 배터리의 급속한 발전으로 실리콘 기반 음극 재료의 적용 범위와 시장 점유율도 해마다 증가하고 있습니다. 실리콘 기반 음극의 확장은 빠른 개발을 방해하는 핵심 요소이며, 현재 재료 확장 억제 수정 및 셀 레이어 확장의 효과적인 모니터링은 산업 개발의 ​​초점이기도 합니다. IEST RSS 시리즈는 현장 급속 팽창 스크리닝을 위한 실리콘 기반 양극은 실리콘 기반 재료의 팽창을 모니터링하기 위해 개발된 특수 장비로, 폴 피스 레벨과 결합하여 다양한 공정 수정 재료의 신속한 평가를 신속하게 실현할 수 있으며 재료에 대한 효과적인 수단으로 사용할 수 있습니다. 개발 및 들어오는 재료 모니터링.

참고문헌

[1] 그 유유, 첸 웨이, 펑 덕성, 장 홍리.바인더가 리튬 이온 배터리 음극 팽윤에 미치는 영향[J].배터리, 2017,47(03):169-172.

[2] 장정더. 리튬이온 연포장전지의 변형에 관한 연구[D]. 칭화대학교, 2012.

[3] 니우 샤오준, 우 카이, 주 구오빈, 왕 연, 취 쿤팅, 정 훙허. 사이클링 동안 리튬 이온 배터리에서 실리콘 기반 음극의 팽창 응력[J]. 에너지 저장 과학 그리고 기술, 2022,11( 09):2989-2994.

[4] 진휘 가오, 잉롱 C, 판후이 M, 외. 리튬 이온 배터리의 현장 광학 현미경 관찰에 관한 연구[J]. 에너지 저장 과학 및 기술, 2022, 11(1): 53.