고속 충전 그래파이트 음극 재료

2025-03-26

리튬 이온 배터리의 최초 상업화된 음극 재료로서 흑연은 높은 용량, 안정적인 구조 및 좋은 전도성의 장점을 가지고 있습니다. 더 중요한 것은 광범위한 출처와 낮은 비용을 가지고 있다는 점입니다. 현재까지 가장 주류의 음극 재료로 남아 있으며 단기간 내 완전히 대체되기 어렵습니다. 리튬 이온 배터리가 전기차에 광범위하게 사용되면서 급속 충전 능력은 흑연의 가장 중요한 성능 지표가 되었습니다. 느린 리튬 삽입 동역학과 극히 낮은 산화 환원 전위의 영향을 받아 고속 충전 및 방전에서 흑연의 용량, 안정성 및 안전성이 전력 배터리의 요구를 충족하지 못합니다. 따라서 흑연의 급속 충전 성능 개선을 위한 수정이 최근 몇 년간 학자들의 연구 초점이 되어 왔습니다.

흑연의 고속 충전 문제에 대한 현재 솔루션은 다음과 같습니다.

(1) 안정적인 인공 SEI 막 구성. 안정적인 구조, 높은 산화환원 전위 및 좋은 이온 전도성을 가진 유기/무기 인공 SEI 필름을 흑연 표면에 구성함으로써, 흑연 내 리튬 이온 운반의 이방성을 줄이는 동시에 리튬 이온의 이동 속도를 개선할 수 있습니다. 고속 충전 및 방전 중에 흑연 표면에 리튬 금속 침착을 방지하기 위한 작은 편극을 발생시킵니다. 또한 인공 SEI 필름은 리튬 이온과 용매 분자를 위해 "차별화된 체" 역할을 하여 용매 분자의 공동 삽입으로 인한 흑연 구조의 손상을 방지할 수 있습니다.

(2) 형태 및 구조 설계. 흑연의 형태와 구조(예: 구멍 구조 설계)를 수정함으로써 흑연의 가장자리 삽입을 위한 활성 부위의 수를 늘리고 흑연 내 리튬 이온의 이동성을 개선할 수 있습니다.

(3) 전해질 최적화. 용매의 사용을 최적화하고, 리튬 염의 유형과 농도를 조정하며, 유기/무기 첨가제를 추가함으로써 전해질 내 리튬 이온의 용매화 구조를 효과적으로 조정하고 리튬 이온의 탈용매 장벽을 줄이며 안정적인 SEI 필름을 구성할 수 있습니다. 또한 용매 분자의 공동 삽입이 흑연의 안정성에 미치는 영향을 완화시킬 수 있습니다.

(4) 충전 전략 최적화. 충전 프로토콜을 최적화하고 충전 전류, 전압 및 휴식 시간을 조정함으로써 리튬 덴드라이트의 형성 없이 충전 속도 한계를 달성하고 사이클 수명과 충전 속도 간의 균형을 이룰 수 있습니다. 이러한 방법들은 고속 충전 조건에서 흑연의 용량과 안정성을 효과적으로 향상시키고 전기차의 “연료 보충” 충전 실현을 위한 참고자료를 제공합니다.

하지만 흑연의 고속 충전 설계는 여전히 다음과 같은 도전 과제가 있습니다:

(1) 흑연의 화학적 안정성이 매우 강하고 표면의 습윤성이 매우 낮습니다. 따라서 일부 간단한 물리적 및 화학적 방법으로 인공 SEI 보호 막을 구성하는 것이 어렵습니다. 현재 대부분의 연구는 ALD 원자층 증착, CVD 증기 증착 등의 방법을 사용해야 합니다. 인공 SEI 보호막을 구성하는 이러한 방법들은 비용이 높고, 과정이 복잡하며, 효율성이 낮고, 대규모 산업화의 가능성이 없습니다. 따라서 흑연 자체에서 출발하여 본질적인 물리적 및 화학적 특성을 변화시켜 인공 SEI 보호막의 구성을 간단하고 편리하게 실현하는 것이 향후 연구의 초점입니다.

(2) 구멍을 설계하고 흑연 입자의 형태와 구조를 줄임으로써 흑연의 리튬 삽입 사이트는 증가할 수 있지만, 활성 부위의 증가는 종종 부작용의 심화 및 첫 번째 쿨롱 효율의 감소와 동반됩니다. 리튬 염의 가격이 사상 최고치에 이른 만큼, 흑연의 고속 충전 설계는 처음에 비가역 용량을 증가시키는 대가를 치르서는 안 됩니다. 따라서 형태와 구조의 조정 전략은 추가적인 리튬 소비를 피하기 위해 다른 표면 수정 전략과 결합하여 사용해야 합니다.

(3) 기능성 첨가제를 사용하거나 새로운 리튬 염 및 용매를 개발함으로써, 이온 전도도가 높고 전이 수가 높으며 온도 범위가 넓은 새로운 전해질을 확보하는 것이 중요합니다. 전해질은 특정 배터리 화학에 대한 이온 이동과 인터페이스를 결정합니다. 그러나 전해질 개발 가이드라인은 비용 요소와 환경 보호 정도를 고려해야 하며, 그렇지 않으면 실질적인 의미가 결여될 것입니다.

(4) 대부분의 그래파이트 기반 고속 충전 설계는 여전히 버튼 배터리를 기준으로 평가됩니다. 대규모 산업 적용이 시급한 기술로서, 연구자들은 파우치 셀이나 원통형 셀에서 평가하여 상업적 적용 가능성을 검증해야 합니다.