- 1
선생님들 안녕하십니까.
현재 실리콘 음극소재 연구를 진행하고 있습니다. 실리콘 단독 셀로 전기화학적 데이터를 파악하던 중 용량 및 효율 측면에서 거동의 차이가 발생하였는데 기존의 전기화학적 데이터만으로는 어떤 변인으로 차이가 비롯되었는지 분석하기 쉽지 않습니다. A와 B가 같은 전극으로 셀을 다르게 만들었는데, 용량 및 쿨롱효율 그래프에서 거동의 차이가 유의미하게 나왔습니다. 따라서 단순히 셀을 만드는 테크닉한 과정에서 차이가 있을 듯 하온데, 구체적으로 어떤 문제인지 파악하기 쉽지 않습니다. 귀한 조언을 주시면 감사히 경청하겠습니다.
요약: 같은 전극, 다른 사람이 각각의 셀을 만들었을 때의 차이 발생(용량, 쿨롱효율 등)
문제: (1)용량: 20~30사이클 부근에서 일종의 soaring 현상이 발생(3000mAh/g보다 훨씬 높은 4000~8000mAh/g 정도로 솟음현상)
(2)쿨롱효율: 20~30사이클에서 다시 회복하지 않고 그대로 degradation 발생*
*쿨롱효율이 20~30사이클 사이에 회복되는 것이 정상이라고 판단한 이유는 오승모 선생님의 "Fading mechanisms of carbon-coated and disproportionated Si SiOx negative electrode (Si SiOx C) in Li-ion secondary batteries(2012)"의 페이딩 메커니즘 논문을 참고하였습니다.
지금까지 파악한 점은
(1)같은 전극을 사용하였기에 전극이 아닌 셀 제조과정에서 차이가 발생했을 것으로 추측(CR2032)
(2)12시간 rest 이후임에도 OCV가 2.7V~2.8V로 다소 저조
(3)20사이클까지는 잘 작동되나, 20사이클 이후부터 거동에 차이 발생
(4)해당 문제는 예외없이 지속적으로 발생
[cell assembly process]
bottom case → silicon electrode(14phi) → seperator(19phi) → gasket → lihium metal(16phi)→ spacer → spring → electrolyte → top case
detail 1: 리튬메탈의 경우 스페이서에 최대한 붙인 상태로 사용
detail 2: 전해액은 200ul 마이크로피펫 한 번 사용
따라서, 정리하자면 지금까지의 문제는 셀 조립과정에서의 문제가 있을 것이라 생각하였는데, 그 이상 어떤 테크닉한 문제가 있는지는 잘 몰라 조언을 청하였습니다.
왜 20사이클 전후부터 이런 동향의 차이를 보이는지, 어떻게 하면 해당 문제를 개선할 수 있는지 궁금합니다.
코인셀, 특히 음극재를 하시는 분들의 경우 해당 비슷한 문제를 어떻게 극복하셨는지 조언 부탁드립니다.
감사합니다.
- 음극재
- 실리콘
- 이차전지
각 분야 한인연구자와 현업 전문가분들의 답변을 기다립니다.
-
답변
박소원님의 답변
2024-10-11- 1
실리콘 음극 소재의 용량 및 쿨롱 효율 문제는 주로 실리콘의 부피 팽창과 고체 전해질 계면(SEI) 층의 불안정성에서 기인합니다. 20사이클 전후 용량이 급증하는 현상은 SEI 층의 재형성이나 리튬 금속의 비정상적 재침착 등으로 발생할 수 있습니다. 이를 해결하기 위해서는 전극 제조 단계에서의 미세한 차이를 고려해야 합니다. 특히, 전극의 코팅 균일성, 적절한 바인더 선택, SEI 형성 조건의 최적화가 중요합니다[1][2][3].최근 연구에 따르면, 바인더의 선택과 설계가 실리콘 음극의 성능에 중요한 영향을 미친다는 점이 강조되고 있습니다. 예를 들어, 유연하고 강력한 바인더 네트워크는 실리콘의 부피 변화를 수용하고 전극의 구조적 안정성을 유지하는 데 기여합니다[1][4][7]. 또한, 이중 필름 구조를 활용하여 스트레스와 이온 확산 동역학을 조절하는 연구도 진행되고 있습니다[8].쿨롱 효율의 지속적인 저하를 방지하기 위해서는 SEI 층의 안정성을 높여야 하며, 이를 위해 표면 코팅이나 복합재료를 활용한 기술이 제안되고 있습니다[5][6]. 실리콘 기반 음극의 안정성을 향상시키기 위해서는 이러한 다양한 전략을 통합적으로 적용하는 것이 필요합니다.참조문헌[1]Li, Z., Zhang, Y., Liu, T., Gao, X., Li, S., Ling, M., Liang, C., Zheng, J., & Lin, Z. (2020). Silicon Anode with High Initial Coulombic Efficiency by Modulated Trifunctional Binder for HighArealCapacity LithiumIon Batteries. Advanced Energy Materials, 10.[2]Zhang, C., Wang, F., Han, J., Bai, S., Tan, J., Liu, J., & Li, F. (2021). Challenges and Recent Progress on SiliconBased Anode Materials for NextGeneration LithiumIon Batteries. Small Structures, 2.[3]Tian, H., Tian, H., Yang, W., Zhang, F., Yang, W., Zhang, Q., Wang, Y., Liu, J., Silva, S. R., Liu, H., & Wang, G. (2021). Stable HollowStructured Silicon SuboxideBased Anodes toward HighPerformance LithiumIon Batteries. Advanced Functional Materials, 31.[4]Lee, H. A., Shin, M., Kim, J., Choi, J., & Lee, H. (2021). Designing Adaptive Binders for Microenvironment Settings of Silicon Anode Particles. Advanced Materials, 33.[5]Xu, K., Liu, X., Guan, K., Yu, Y., Lei, W., Zhang, S., Jia, Q., & Zhang, H. (2021). Research Progress on Coating Structure of Silicon Anode Materials for Lithium-ion Battery. ChemSusChem, None.[6]Dong, Z., Du, W., Yan, C., Zhang, C., Chen, G., Chen, J., Sun, W., Jiang, Y., Liu, Y., Gao, M., Gan, J., Yang, Y., & Pan, H. (2021). A Novel Tin-Bonded Silicon Anode for Lithium-Ion Batteries. ACS Applied Materials and Interfaces, None.[7]Tong, Y., Jin, S., Xu, H., Li, J., Kong, Z., Jin, H., & Xu, H. (2022). An Energy Dissipative Binder for SelfTuning Silicon Anodes in LithiumIon Batteries. Advanced Science, 10.[8]Fang, J., Cao, Y., Chang, S., Teng, F., Wu, D., & Li, A. (2021). DualDesign of Nanoporous to Compact Interface via Atomic/Molecular Layer Deposition Enabling a LongLife Silicon Anode. Advanced Functional Materials, 32.본 답변은 틀루토(tlooto.com)에서 어느정도 참조하였습니다~!