이차전지 리튬이온배터리에 쓰이는 실리콘 음극?
Silicon anode for secondary lithium-ion battery ?
에너지 밀도를 높이려는 노력이 계속 되는데요.
음극에서는 실리콘 음극을 통한 연구 및 개발이 결실을 보이는데요.
간단히 알아보고자 합니다.
R&D activity to increase the energy density in lithium-ion battery has been on-going.
One of the promising approaches is applying silicon anode.
Short introduction below
음극 anode
이차전지에서 충전시에 리튬을 보관할 수 있는 자리를 제공하고...방전중에는 보관된 리튬을 방출하게 되는 역할
Anode is providing the storage site for lithium ion in the process of charging. This stored lithium ions in anode is released to cathode during discharge, providing energy to the devices connected.
이전에는 흑연을 많이 사용하였습니다. intercalation '인터칼레이션' ...삽입을 통해 판상의 흑연구조에 리튬이 끼어 들어가는 형태로 충전이 되었습니다.
So far, graphite material has been widely used. Lithium ions are intercalated into the plate-like-structure graphite during the charge.
실리콘은 합금의 형태로 리튬을 충전해 둘 수 있다네요
리튬이 들어갈수록 부피가 팽창하게 되겠죠....흑연에 비해서 이 부피팽창이 커서 실리콘 자체는 사용 불가..
Silicon is able to store lithium ions in the form of alloy. As more charged, dimensional expansion occurs. Due to this big expansion, silicon itself is not best fit for application to battery.
일단 흑연과 실리콘자체의 specific capacity를 보면...
The theoretical specific capaicties of graphite and silicon are below.
Graphite : C6 + Li+ + e- <--> LiC6 : 375mAh/g
Silicon : Si + xLi+ + xe- <--> LixSi : 4200 mAh/g
실리콘 그대로 못 쓰는데...부피 변화가 너무 크고...사이클 동안 균열 등이 발생...전해액과 반응..
그래서 SiOx, Si 탄소복합계를 사용합니다.
Silicon alone is not good fit for battery due to the intrinsic volume expansion, consequently resulting in cracks during charge. The cracks accelerate the side reaction with the electrolyte. That is why R&D focused on SiOX and/or Si-C composite.
실제 사용되는 것은 예를 들어 천연흑연 natural graphite에 첨가해서 사용하는 형태인데요..
In battery industry, Silicon is added to natural graphite.
예를 들자면 천연흑연 95%에 SiOx silicon composite oxide를 5% 형태로 섞는거겠네요.
For example, mixture of 95% natural graphte and 5% silicon composite oxide is applied.
아직까지는 흑연을 보조하는 역할이네요..
So far, silicon is supporting the graphite.
보통 천연흑연 비용량이 360mAh/g 수준이고 SiOx가 1300mAh/g 수준입니다.
SiOx등의 실리콘계 음극재를 넣어줄수록 혼합물의 비용량은 늘어나서 좋겠네요...
Natural graphite shows around 360 mAh/g specific capacity and SiOx 1,300mAh/g.
As SiOx ratio increases, the mixture shows higher specific capacity.
천연흑연에 비해 실리콘계 음극의 비용량이 약 3.6배 (=1300/360)이니까...실리콘계 음극의 가격이 3.6배만큼 높지만 않으면 좋겠는데...가격은 3.6배 이상되겠죠....그래서 보조역할로 넣는거 아닐까요?
Compared to natural graphite's specific capacity, SiOx has 3.6 times higher specific capcity (=1,300/360). If the cost of silicon composite is less than 3.6 times of natural graphite, silicon composite would be the best of the both worlds in terms of specific capacity and price viewpoint.
다만 남아있는 기술적 난제와 가격이 많이 내려오면....더 많이 쓰지 않을 이유는 없겠죠?
Technical challenge such as undesirable expansion, plus cost being resolved, silicon is one of the best promising anode materials.
실리콘계 음극 얼마나 넣지?
How much silicon material added ?
기냥 퉁쳐서 5 wt% 미만이라고 하면 되지 않을까요?
For now, 5wt% could be a good ballpark number. But the trend is going up.
Below is the example of mixture and properties.
