리튬-이온 배터리에 사용되는 탄소{0}}코팅 동박 적용

신에너지 자동차 분야의 급속한 발전과 함께 리튬{0}}이온 이차전지의 더 높은 에너지 밀도에 대한 수요가 증가하고 있습니다. 배터리의 비에너지를 개선하면 전기 자동차의 주행 거리에 도움이 될 뿐만 아니라 현재의 높은 비용 문제를 크게 완화할 수도 있습니다. 리튬-이온 배터리의 에너지 밀도가 지속적으로 증가함에 따라 고{4}}니켈 음극과 실리콘-탄소 양극의 조합은 차세대 -세대 고-에너지-밀도 리튬-}이온 배터리 개발을 위한 표준 구성이 되었습니다. 그러나 실리콘은 충방전 과정에서 부피 변화가 심해 활물질 입자가 분쇄되고, 도전제와의 접촉이 소실되며, 심지어 집전체로부터 박리되기도 한다. 이로 인해 실리콘-탄소 양극의 용량이 급속히 감소하고 주기 수명이 단축되어 리튬-이온 배터리에 적용하는 데 방해가 됩니다.

리튬-이온 배터리 연구에서는 실리콘-탄소 양극 소재 개발이 오랫동안 초점이 되어 왔으며, 주로 소재 자체를 최적화하고 수정하는 데 중점을 두었습니다. 여기에는 실리콘 재료의 입자 크기와 구조뿐만 아니라 실리콘-탄소 합성의 구조와 방법을 최적화하는 것이 포함됩니다. 실리콘-탄소 양극 재료의 실제 적용을 달성하기 위해 전극, 심지어 배터리 설계 및 제조 공정의 최적화가 점점 더 많은 관심과 연구를 받고 있습니다. 그 예로는 전도성 제, 슬러리 공정에 사용되는 바인더, 코팅 면적 밀도, 압축 밀도, 전해질 조성 및 형성 공정 최적화가 포함됩니다.

동박은 전극의 핵심 부품으로 음극 활물질을 지지하는 동시에 생성된 전자를 모아 외부 회로로 전도해 전류를 형성하는 역할을 한다. 활물질과 구리박 사이의 접착력이 충분하지 않으면 실리콘-탄소 입자가 큰 부피 변화로 인해 사이클링 중에 구리박에서 쉽게 분리되어 사이클 성능이 저하될 수 있습니다. 배터리의 수명을 향상시키기 위해 본 연구에서는 전도성 탄소층으로 코팅된 구리박을 전원 배터리에 적용합니다. 적층 공정을 사용하여 3원계 재료를 음극으로, 산화규소-탄소 복합재를 양극으로 사용하여 9.5Ah 파우치 전력 셀을 제조했습니다. 일반적인 양면-매끄러운 구리박과 비교하여 탄소-코팅된 구리박이 전지의 속도 성능, 고온/저온-온도 성능 및 사이클 성능에 미치는 영향을 조사했습니다.

실험에서는 전도성 탄소와 수지 바인더로 양면이 코팅된 베어 포일을 기반으로 탄소- 코팅된 구리 포일을 사용했습니다. 이는 집전체의 전도성을 높여 접촉저항을 좋게 하는 동시에 활물질과 집전체의 접착력을 높여 전지의 수명을 향상시키는 역할을 합니다. 양면의 매끄러운 구리 호일, 탄소- 코팅된 구리 호일 및 전극 시트의 SEM 이미지는 양면의 매끄러운 구리 호일 표면이 평평한 것을 보여줍니다.- 탄소- 코팅 동박 표면의 전도성 탄소 입자는 입자 직경이 약 15-20nm로 균일하게 분포되어 있으며 수지 접착제로 서로 결합된 구형-구조를 나타냅니다. 표면은 느슨하고 다공성이어서 활물질과 집전체의 접착력을 효과적으로 향상시킵니다. 또한, 활물질과 집전체 사이의 접촉 면적이 증가하여 전극 시트의 접촉 저항을 줄이는 데 도움이 됩니다. SiO-C 양극 시트의 표면 및 단면 구조를 관찰한 결과, 1.6g/cc의 압축 밀도에서 입자가 부서지지 않고 그대로 남아 있는 균일한 입자 분포를 보여줍니다.

다양한 구리 호일을 사용하여 제조된 음극 시트의 기본 매개변수는 탄소- 코팅 구리 호일을 사용한 시트의 박리 강도가 양면 매끄러운 구리 호일을 사용한 시트에 비해 크게 증가한 반면 전극 시트의 저항은 감소했음을 나타냅니다. 이는 탄소 코팅층이 활물질과 집전체 사이의 접촉 면적을 증가시키고, 전극 시트의 전자 전도도를 향상시키며, 활물질과 집전체 사이의 접촉 저항을 감소시킬 수 있음을 입증한다. 또한, 수지바인더를 함유한 탄소층은 전이층 역할을 하여 활물질과 집전체의 결합을 강화시킨다.

개방 회로 전압, AC 내부 저항, 가역 용량, 초기 충전{2}}방전 효율 및 음극의 특정 용량 활용을 포함하여 다양한 구리 호일로 제작된 9.5 Ah 파우치 셀의 부분 전기화학적 성능 데이터는 10개 샘플 지점에서 평균 측정하여 얻었습니다. 비교 결과, 탄소- 코팅 구리박을 사용한 셀의 AC 내부 저항이 양면 매끄러운 구리박을 사용한 셀의 AC 내부 저항보다 낮은 것으로 나타났습니다. 이는 주로 탄소- 코팅 구리 호일로 만든 전극 시트의 저항률이 낮아서 셀의 전체 접촉 저항이 감소하기 때문입니다. 탄소-코팅 구리박을 사용한 전지의 비용량 이용률은 양면 매끄러운 구리박을 사용한 전지보다 약간 낮습니다(0.5mAh/g). 이는 탄소 코팅의 도입으로 인해 약간의 리튬-이온 삽입이 발생하고 일부 리튬 이온이 소모되며 셀의 비가역 용량이 증가하기 때문일 수 있습니다.

상온에서 서로 다른 속도로 두 가지 유형의 동박으로 조립된 파우치 셀의 방전 곡선은 방전 속도가 증가함에 따라 두 셀 유형의 방전 안정기가 감소하고 방전 용량이 점차 감소하는 것을 보여줍니다. 방전율이 4C에 도달하면 중요한 낙하 변곡점이 나타납니다. 이는 주로 방전 전류가 증가함에 따라 전자를 방출한 리튬 이온이 즉시 양극을 떠나 전해질로 확산될 수 없어 상당한 리튬- 이온 농도 구배가 발생하기 때문입니다. 이는 리튬 이온이 음극으로 돌아가는 데 필요한 전극 전위를 증가시켜 셀 내부 압력을 증가시키고 결과적으로 방전 안정기를 낮추게 됩니다. 앞서 언급한 방전 속도 곡선과 서로 다른 속도에서의 방전 용량 유지율을 비교하면 두 셀 유형의 방전 정체기는 동일한 속도에서 본질적으로 동일합니다. 저렴한 가격으로(<3C), the discharge capacity retention rates of the two cell types largely overlap. When the discharge rate increases to 4C and 5C, the discharge capacity retention rate of the carbon-coated copper foil cell is slightly higher than that of the double-sided smooth copper foil cell. This is primarily related to the carbon coating enhancing the conductivity of the cell and reducing contact resistance.

실온에서 1C/1C 충{2}}방전 조건에서 두 가지 유형의 동박으로 조립된 파우치 셀의 사이클 곡선을 보면 300회 사이클 후 용량 유지율이 탄소- 코팅 동박 셀의 경우 89.5%인 반면, 양면- 매끄러운 동박 셀의 용량 유지율은 84.2%인 것으로 나타났습니다. 탄소- 코팅 구리 호일 셀의 주기 안정성은 양면 매끄러운 구리 호일 셀에 비해 크게 향상되었습니다. 이러한 이점은 두 가지 주요 측면에서 비롯됩니다. 첫째, 구리 호일 표면에 코팅된 전도성 탄소층은 활성 물질과 구리 호일 사이의 접촉 면적을 증가시키고, 다공성 표면 구조는 활성 물질에 대한 더 많은 접촉 사이트를 제공하여 집전체와의 상호 작용을 향상시킵니다. 둘째, 탄소 코팅에 수지 바인더가 존재하면 활물질과 구리박 사이의 접착력이 더욱 강화됩니다. 이는 여러 사이클 후 입자의 큰 팽창률로 인해 실리콘- 기반 양극에서 활물질이 분쇄되는 현상을 크게 억제하여 배터리의 사이클 수명을 효과적으로 연장합니다.

(1) SiO-C 양극 전극 시트의 박리 강도를 높이면서 저항률을 줄입니다.
(2) 고온/저온 성능과 속도 성능이 향상되지만{1}}크게 향상되지는 않습니다.
(3) 실리콘- 기반 배터리의 사이클 성능을 효과적으로 향상시킵니다. 양면 평활 동박에 비해 1C 충방전율에서 300사이클 후 용량 유지율이 5.2% 향상되었습니다.

참고자료

중국국가지식인프라(CNKI)
실리콘-기반 리튬-이온 배터리의 탄소 코팅 동박 연구 및 응용
산시석탄화학공업기술연구소유한회사
션샤오후이