Si 음극 물질

<출처:https://doi.org/10.1016/j.joule.2017.07.006>

I. 서론
Si 음극 활물질은 리튬이온 배터리에서 기존의 흑연 기반 애노드보다 높은 에너지 밀도와 주기 안정성을 제공합니다. 이 부분에서는 Si 음극의 간단한 정의와 그들이 리튬이온 배터리에서 얼마나 중요한지에 대해 설명합니다.

II. 리튬이온 배터리에서 Si 음극의 장단점
Si 음극 활물질은 높은 에너지 밀도, 빠른 충전 속도 및 낮은 무게 등의 장점을 가지고 있습니다. 하지만, 주기 안정성 및 용량 보존 등의 단점도 가지고 있습니다. 이 부분에서는 Si anode의 장단점에 대해 자세히 논합니다.

III. Si anode의 합성 방법
Si anode의 합성 방법에는 Top-down 방법과 bottom up 합성 방법이 있습니다. Bottom up 방법은 Si 나노입자의 성장을 포함하고, Top-down 합성 방법은 대량의 Si를 에칭하는 방법을 사용합니다. 이 부분에서는 다른 합성 방법과 그들의 장단점에 대해 논합니다.

A. Bottom up

화학 기상 증착 (CVD)
전기화학 증착 (ECD)
템플릿 보조 전극증착법 (TAED)
우유광학 합성 (MSS)

B. Top down

화학적 에칭
전기화학적 에칭
고에너지 볼밀링 (HEBM)
플라즈마 에칭

IV. Si anode 의 전기화학 성능 향상 전략
나노 구조화, 탄소 코팅, 합금화 및 복합체 형성과 같은 여러 전략을 사용하여 Si anode의 전기화학 성능을 향상시킬 수 있습니다. 

 

나노구조화: Si 나노와이어 또는 나노입자를 사용하여 양극의 표면적을 증가시켜 용량 및 사이클링 안정성을 향상시킬 수 있습니다.
탄소 코팅: 얇은 탄소층으로 Si 음극을 코팅하면 전자 전도도를 개선하고 충전 및 방전 중 부피 팽창을 줄이며 사이클 안정성을 향상시킬 수 있습니다.
합금화: Si를 Sn, Ge 또는 Al과 같은 다른 금속과 혼합하면 부피 팽창을 줄이고 주기 안정성을 개선하여 전기화학적 성능을 향상시킬 수 있습니다.
복합 형성: Si를 탄소 또는 금속 산화물과 같은 다른 재료와 결합하면 더 높은 용량 및 사이클링 안정성과 같은 향상된 전기 화학적 성능을 가진 복합 재료를 만들 수 있습니다.

이러한 전략을 사용하여 연구자들은 Si 음의 전기화학적 성능을 크게 향상시켜 고에너지 밀도 리튬 이온 배터리의 유망한 후보로 만들 수 있었습니다.

 

리튬이온전지에서 Si 음극의 상용화는 아직 초기 단계이지만, 높은 에너지 밀도 및 기타 유리한 특성으로 인해 잠재력에 대한 관심이 높아지고 있습니다.


여러 회사가 현재 리튬 이온 배터리에 사용하기 위해 Si 기반 양극을 개발하고 있으며 일부는 이미 상용 제품을 출시했습니다. 그러나 Si 음극이 상용 응용 분야에 널리 사용되기 전에 해결해야 할 몇 가지 과제가 있습니다.


주요 과제 중 하나는 충전 및 방전 중 Si의 부피 팽창에 의해 영향을 받을 수 있는 사이클 안정성 및 용량 유지를 개선하는 것입니다. 연구원들은 이 문제를 해결하기 위해 새로운 합성 방법을 개발하고 나노구조화 및 탄소 코팅과 같은 기존 전략을 개선하기 위해 노력하고 있습니다.


또 다른 과제는 흑연 기반 양극보다 높을 수 있는 Si 음극의 비용을 줄이는 것입니다. 그러나 고에너지밀도 전지 수요가 늘면서 Si 음극의 원가는 생산량이 늘어나면서 낮아질 것으로 예상된다.


전반적으로 리튬 이온 배터리의 Si 음극에 대한 전망은 유망하며 연구자들이 계속해서 성능을 개선하고 비용을 절감함에 따라 향후 몇 년 동안 상업화가 증가할 것으로 예상됩니다