흑연은 주로 ABAB가 쌓인 육각형 구조와 ABCABC가 쌓인 마름모꼴 구조를 가지고 있습니다. 흑연의 두 상은 상호 변환될 수 있으며, 기계적 처리와 같은 공정을 통해 흑연의 상 구성 비율이 증가할 수 있으며 고온에서 어닐링 처리를 하면 열역학적으로 더 안정적인 상을 생성할 수 있습니다.
목차
비정질 탄소란 무엇인가요?
흑연 시스템과 비정질 탄소의 차이점
비정질 탄소에는 주로 다음이 포함됩니다. 경질 탄소 음극 재료와 연질 탄소로 구성되며, 일반적으로 무작위로 분포된 흑연화된 미세 구조, 꼬인 그래핀 나노 시트 및 위에서 언급한 미세 구조 사이의 기공으로 구성되며 정렬된 적층 구조가 부족합니다.
흑연은 가장 일반적인 리튬 이온 배터리 음극 전기 전도성이 좋고 비 용량이 높으며 사이클 성능이 우수한 장거리 정렬 적층 구조로 상업용 리튬 이온 배터리의 재료로 주로 아스팔트, 석유 코크스, 천연 흑연을 원료로 하며 층 간격은 0.335~0.34nm 정도입니다.
경질 탄소 음극재는 2800°C까지 가열해도 흑연화하기 어려운 비흑연화 탄소입니다. 구조가 고도로 무질서하고 산화 환원됩니다. 구조가 매우 무질서하고 산화 환원 전위가 낮아 다음에 더 이상적인 음극 재료로 간주됩니다. 나트륨 이온 배터리.
탄소 선택
흑연은 리튬 저장 능력이 우수하고 리튬 이온 배터리 분야에서 중요한 역할을 하지만, 나트륨 이온의 반경이 커서 충전 및 방전 시 나트륨 이온의 삽입 및 탈착을 방해하기 때문에 나트륨 이온 배터리에 적합한 음극 재료가 될 수 없으며, 사람들은 흑연의 나트륨 저장 성능을 향상시키기 위해 다양한 방법을 시도했지만 지금까지 만족할만한 결과를 얻지 못했습니다.
첫 번째 방법은 흑연 층의 간격을 넓혀 나트륨 저장 성능을 향상시키는 것입니다. 층 간격이 0.43nm인 팽창 흑연의 비 용량은 5C 다중성에서 2000 사이클 후 184mAh/g이고 용량 유지율은 73.92%인 것으로 밝혀졌지만 팽창 흑연의 정렬 구조는 본질적으로 팽창 흑연의 비정질화인 X-선 회절 스펙트럼에서 파괴된 것으로 나타났습니다. 이를 통해 더 많은 Na+가 흑연에 가역적으로 제거될 수 있지만, 이 환원 산화물 흑연은 여전히 낮은 ICE를 겪고 있으며, 환원 산화물 흑연에서 Na+의 저장 메커니즘은 여전히 불분명합니다.
비정질 탄소는 층 간격이 더 넓고 무질서한 미세 결정 구조로 인해 나트륨 이온 삽입 및 분리에 더 유리하기 때문에 실제로도 사용됩니다. 연질 탄소의 경우 흑연과 구조는 비슷하지만 질서가 덜 잡혀 있어 흑연보다 나트륨 인터칼레이션에 더 도움이 되고 낮은 전류 밀도에서 비 용량을 높일 수 있습니다. 소프트 카본의 낮은 비표면적과 표면 결함은 에스테르 전해질의 소비를 줄이고 ICE를 개선하는 데 도움이 될 수 있습니다.
상용화 관점에서 볼 때 연질 탄소 전구체는 무연탄으로 만들어져 가격이 저렴하고 탄화 수율이 높으며 안전성이 우수하고 전기 화학적 성능이 우수하며 상용화 가능성이 높습니다. 응용 시나리오에서 수정되지 않은 용량은 200-220mAh/g이며 충전/방전 영역은 주로 경사면으로 고전력 시나리오에 적합합니다. 경질 탄소 음극재는 흑연의 장거리 정렬 층상 구조에 비해 분자 수준에서 더 복잡한 구조를 가지고 있습니다.
경질 탄소 음극 소재의 독특한 구조는 내재 반응을 통한 나트륨 저장, 폐쇄 기공 내 원자 클러스터 형성을 통한 나트륨 저장, 전해질과 접촉하는 표면의 정전용량 흡착을 통한 나트륨 저장, 결함 관련 부위의 내부 표면 유사 정전용량을 통한 나트륨 저장 등 다양한 유형의 가역적 나트륨 저장 부위를 구현할 수 있게 해줍니다.
재료 충전 및 방전 영역에는 경사 섹션과 플랫폼 섹션이 있으며 일반적인 비 용량은 300-350mAh / g에 도달 할 수 있으며 최적화 된 수정 후에는 리튬 흑연의 이론적 비 용량 (372mAh / g)을 초과하는 400mAh / g에 도달 할 수 있습니다.
요약하면, 흑연은 리튬 이온 배터리의 중요한 음극 재료이지만 층 간격이 작고 흑연과 열적으로 안정적인 인터칼레이션 화합물을 형성할 수 없기 때문에 나트륨 이온 배터리에서의 적용이 크게 제한되며, 팽창 흑연으로 층 간격을 넓히고 전해질을 조정하여 문제를 개선할 수 있지만 여전히 낮은 ICE 및 전해질 안정성 저하와 같은 문제가 있습니다.
반대로, 낮은 순서의 연질 탄소는 나트륨 저장에 더 도움이 되고 전구체 비용이 저렴합니다. 경질 탄소 음극재의 복잡한 분자 수준 구조는 많은 유형의 나트륨 저장 활성 부위를 생성하고 최적화 된 수정 후 리튬 흑연의 이론적 비 용량을 초과 할 수있어 상업화 잠재력이 강합니다. 따라서 나트륨 이온 탄소 음극재에는 비정질 탄소, 특히 경질 탄소 음극재를 선택하는 것이 상대적으로 더 적절합니다.
경질 탄소 음극 소재의 잠재적 경쟁자
실리콘 기반 음극 재료
실리콘 기반 음극 재료의 장점은 상대적으로 높은 이론적 용량, 자연적으로 풍부함(실리콘은 지구상에 풍부한 원소), 적절한 전기화학적 전위(단단한 탄소 음극 재료보다 '리튬 수상돌기'를 형성할 가능성이 낮음) 등을 들 수 있습니다. ". 물론 실리콘 소재의 불가피한 부피 변화는 실리콘 기반 전극의 구조적 파열 또는 분쇄로 이어질 수 있으며, 이는 결국 SEI 필름의 통제되지 않은 성장으로 이어질 수 있으며, 본질적으로 전도성이 낮다는 단점도 분명히 존재합니다.
리튬 티타네이트 음극 소재
리튬 티타네이트 양극 재료는 또한 가능한 미래의 배터리 음극 재료이며, 그 장점은 다음과 같습니다 : 간단한 준비 방법, 높은 충전 및 방전 플랫폼, 안정적인주기, 높은 쿨롱 효율; "제로 변형"재료, 반응주기에서 결정의 부피는 안정적인 범위를 유지합니다 (부피 변화로 인한 전극 재료 흘림 현상을 효과적으로 해결); 안정적인 작동 전압 리튬 이온은 전극에 리튬 수상 돌기를 침전시키지 않습니다; 안정적인 전극 전압 플랫폼입니다.
낮은 전도도와 리튬 이온 확산 계수, 높은 전류 밀도에서 전극의 심한 분극으로 인해 전극 용량이 급격히 감소하고 SEI 필름의 형성으로 인해 전극과 전해질이 장시간 접촉하여 부작용이 발생한다는 단점도 있습니다. 다음은 상위 5가지입니다. 리튬 티타네이트 배터리 제조업체를 클릭해 보시기 바랍니다.
주석 기반 음극 재료
주석 기반 음극 재료는 현재 학자와 기업가들로부터 많은 관심을 받고 있습니다. 풍부한 자원, 높은 이론적 용량, 리튬 침전 전위보다 높은 내장 리튬 전위, 높은 승수에서 리튬 증착 방지, 높은 적층 밀도 등의 장점이 있습니다. 단점은 사이클링 중 Sn의 부피 팽창이 각각 259%(리튬 이온 배터리) 및 423%(나트륨 이온 배터리)에 도달하여 사이클링 성능에 심각한 영향을 미친다는 것입니다.
비정질 탄소의 특성을 결정하는 요소
하드 카본 음극 소재 대 소프트 카본
비정질 탄소 소재는 흑연화의 용이성에 따라 경질 탄소 음극재와 연질 탄소로 분류할 수 있습니다. 연질 카본은 일반적으로 고온 처리(2800°C 이상) 후 흑연화가 가능한 탄소 소재로, 무질서한 구조를 쉽게 제거할 수 있습니다.
경질 탄소 음극재는 일반적으로 고온 처리(2800°C 이상) 후에도 완전히 흑연화할 수 없는 탄소 소재이며, 고온에서 무질서한 구조를 제거하기 어렵습니다. 저온 및 중온(1000~1600°C)에서는 연질 탄소와 경질 탄소 음극재 사이에 뚜렷한 경계가 없으며 비정질 탄소라고 할 수 있습니다.
연질 탄소는 용량이 높지만 붕괴 속도가 빨라 실제 적용에 장애가 되고, 경질 탄소 음극재는 제조가 쉽고 사이클 수명이 길며 일부 실용적인 적용이 이루어지고 있습니다. 연질 탄소와 비교하여 경질 탄소 음극재는 무질서한 구조, 더 높은 결함 농도, 더 높은 이종 원자 함량 및 흑연 층 사이의 더 큰 거리, 더 닫힌 기공 구조를 가지고 있습니다.
이는 Na+ 이온의 더 많은 저장 부위와 확산 경로를 용이하게 합니다. 그러나 경질 탄소 음극재의 경제성은 연질 탄소 음극재에 비해 약간 떨어집니다. 나트륨 이온 배터리 중에서도 경질 탄소 음극재는 이러한 장점으로 인해 현재 응용 분야에서 지배적입니다. 또한 저렴한 비용, 지속 가능성 및 제조의 단순성으로 인해 경질 탄소 음극재의 상용화 가능성은 더욱 커지고 있습니다.
전구체
연질 탄소와 경질 탄소 음극재는 주로 전구체의 특성에 따라 달라집니다. 탄화 과정에서 최종 탄소(코크스)가 흑연화되기 위해서는 넓은 온도 범위에서 전구체가 융합된 상태로 나타나는 능력이 필요합니다. 이러한 융합 상태는 탄소 층의 재배열을 통해 열분해로 인한 가스가 쉽게 빠져나갈 수 있는 장거리 정렬 라멜라 구조를 형성하는 동시에 잔류물의 탄소 함량과 밀도를 증가시킬 수 있습니다.
비정질 탄소는 일반적으로 500~1500°C의 온도에서 유기 전구체를 열분해하여 생성됩니다. 열분해 후 최종 생성물은 경질 탄소입니다. 열분해의 최종 생성물이 경질 탄소 음극재인지 연질 탄소인지는 주로 전구체의 특성에 따라 달라집니다.
전구체는 크게 바이오매스 기반, 폴리머 기반, 수지 기반, 석탄 기반 탄소 물질로 분류됩니다. 바이오매스 전구체는 주로 식물의 뿌리와 잎입니다. 고분자 전구체는 일반적으로 포도당, 자당, 전분, 셀룰로오스, 리그닌을 포함한 탄수화물 전구체로 바이오매스에서 파생된 화학 제품입니다. 수지 전구체에는 주로 페놀 수지, 폴리아닐린, 폴리 아크릴로 니트릴이 포함됩니다.
경질 탄소 음극재를 생산하는 데 사용되는 전구체는 주로 바이오매스, 수지 및 폴리머 전구체입니다. 연질 탄소 소재를 제조하는 데 사용되는 전구체에는 주로 석유화학 원료와 석탄, 아스팔트, 석유 코크스 등의 다운스트림 제품이 포함됩니다. 그러나 직접 탄화된 소프트 카본 소재는 나트륨 이온 배터리에서 낮은 가역 용량을 보입니다.
아몰퍼스 카본은 가역 용량과 사이클 성능이 우수해 원가 제어 후 상용화가 기대되며, 경질 탄소 음극재는 그램 용량은 높지만 원가가 높고, 연질 탄소 소재는 그램 용량은 낮지만 가성비가 높다는 장점이 있습니다. 나트륨 이온 배터리 음극재의 핵심은 원가를 어떻게 낮출 수 있느냐입니다.
경질 탄소 음극재 제조의 핵심 기술 경로에는 원료 선택 및 전처리, 가교 및 경화, 탄화 및 정제가 포함됩니다. 전구체의 종류에 따라 경질 탄소 음극재 음극재 제조 공정에도 차이가 있습니다.
중간 단계의 온도 제어, 가스 분위기 및 가열 시간은 양극 재료의 기공 크기, 순도, 산소 함량 및 비표면적에 영향을 미칩니다. 또한 배터리의 최초 효율, 에너지 밀도, 안전성 및 기타 요소에도 간접적으로 영향을 미칩니다.
유기 고분자 전구체는 분자 구조가 비교적 간단하고 제어가 가능하며 관련 분자 구조의 필요에 따라 설계할 수 있어 탄소 소재 제조에 탁월한 전구체로 많은 관심을 받고 있습니다.
좋아하지 않음 음극 재료유기 고분자는 유기 저분자의 촉매 중합을 통해 제조되며, 규칙적인 형태의 경질 탄소 음극재 구조를 얻을 수 있고 합성 공정이 간단하다는 장점이 있어 향후 경질 탄소 음극재 소재의 대량 생산 및 응용을 위한 연구 가치가 높습니다.
바이오매스 기반 전구체는 풍부하고 지속 가능한 사용과 저비용 특성을 가지고 있습니다. 일반적으로 다량의 C와 일부 O, H, 심지어 N, S, P 등과 같은 다른 이종 원자를 포함합니다. 바이오매스는 저비용 고성능 경질 탄소 음극재를 위한 재생 가능하고 지속 가능한 전구체 생산에 좋은 선택입니다. 바이오매스를 경질 탄소 음극재로 전환하는 방법은 직접 탄화, 열수 탄화(HTC), 물리적 또는 화학적 활성화 등 간단합니다.
바나나 껍질, 이탄 이끼, 왕겨, 면화, 포도당, 단백질, 셀룰로오스 나노 결정과 같은 바이오매스는 나트륨 이온 배터리의 음극 재료로 사용되어 우수한 전기화학적 특성을 보여 왔습니다.
저가의 석유화학 부산물인 아스팔트는 탄소 함량이 높고 가격이 저렴해 현재 널리 사용되고 있습니다. 그러나 아스팔트 베이스는 고온 균열 시 쉽게 질서 정연한 구조를 형성할 수 있어 저장 용량이 100mAh/g 미만으로 매우 낮습니다. 현재 중국과학원에서는 아스팔트를 연질 탄소 전구체로, 수지를 경질 탄소 음극재 전구체로 복합화하여 나트륨 저장 용량을 300mAh/g으로 늘렸습니다.
경질 탄소 음극재에 대한 수요
리튬 이온 배터리 경질 탄소 음극재 수요 예측
현재 경질 탄소 음극재를 배치하는 대부분의 중국 기업은 리튬 이온 배터리에 적용하여 풍부한 결과와 관행을 달성했습니다. 리튬 이온 배터리의 음극재 선택에 있어 흑연이 주요 원료가 되었습니다.
흑연 음극의 구조적 결함은 리튬 이온 배터리의 음극 소재로서 사이클 안정성과 충방전 효율을 제한하는 반면, 경질 탄소 음극 소재의 등방성 구조적 특성, 큰 층 간격, 충방전 시 리튬 이온 확산 속도의 우수한 증식 성능은 리튬 이온 배터리 분야에서 경질 탄소 음극 소재를 더 나은 선택으로 만들어줍니다.
경질 탄소 음극재는 등방성 구조 특성, 더 큰 층 간격, 충전 및 방전 중 빠른 리튬 이온 분산 및 우수한 증식 성능을 가지고 있으므로 경질 탄소 음극재는 리튬 이온 배터리 분야에서 더 나은 응용 분야를 가지고 있습니다.
2021년 중국 리튬 배터리 음극 제품의 출하 구조는 여전히 인조 흑연이 84%를 차지해 가장 큰 비중을 차지하고 있으며, 천연 흑연은 14%로 두 번째로 큰 음극 제품 부문이며, 나머지 음극 재료는 2%입니다. 다른 부문 중에서는 경질 탄소 음극재와 연질 탄소 소재가 주요 부품입니다. 데이터에 따르면 2015년 전 세계 리튬 배터리 음극재 출하량 중 소프트 카본과 하드 카본 음극재가 1.7%를 차지했습니다.
최근 몇 년 동안 리튬 배터리에 경질 탄소 음극재를 적용하는 것도 산업적으로 약간의 진전을 이루었으므로 향후 몇 년 내에 경질 탄소 음극재가 리튬 배터리 음극의 응용 재료가되어 약 2%를 차지할 것으로 예상합니다. 리튬 배터리의 향후 출하량은 높은 추세를 보이고 있습니다.
신에너지 자동차의 전 세계 보급률이 계속 증가함에 따라 전력 배터리와 에너지 저장 배터리에 대한 수요는 계속해서 빠른 속도로 증가 할 것이며 2030 년 이전에는 다른 배터리 시스템이 여전히 대규모 산업 발전이 어렵고 리튬 이온 배터리가 주류 기술 경로로 남아있을 것입니다.
리튬 배터리 음극재에서 경질 탄소 음극재가 차지하는 비율이 높지 않기 때문에 경질 탄소 음극재 재료에 대한 리튬의 당김은 적을 것입니다. 경질 탄소 음극재 300mah/g 용량, 3.2V 전압 플랫폼, 1GWh 리튬 배터리 계산에 따르면 약 1125톤의 경질 탄소 음극재가 소비되며, 2025년까지 약 35,000톤의 경질 탄소 음극재가 2025년까지 리튬 배터리 양극재 생산에 사용될 것으로 예상됩니다.
나트륨 배터리용 경질 탄소 음극재에 대한 수요 예측
경질 탄소 음극재의 특성과 나트륨 이온 배터리의 적용 시나리오: 최근 한 연구팀이 경질 탄소 음극 소재의 전기화학적 특성을 실험한 결과, 나트륨 이온 배터리의 음극 소재로 사용했을 때 369.8 mAh/g의 높은 비용량을 나타냈으며, 경질 탄소 음극 소재는 낮은 레독스 전위(0.1-1.0 V)를 가지고 있다는 사실을 밝혀냈습니다.
경질 탄소 음극재 전구체의 바이오매스 관련 전구체의 광범위한 사용으로 인해 배터리 음극재로 친환경적인 선택이 된 것도 경질 탄소 음극재입니다. 결론적으로 나트륨 이온 배터리 응용 분야에서 경질 탄소 음극재는 흑연에 비해 층 간격이 더 넓고 나트륨과 열적으로 안정적인 인터칼레이션 화합물을 형성할 수 있으며 연질 탄소와 비교하여 나트륨 저장 용량이 더 커서 나트륨 이온 배터리 전극, 나트륨 이온 축전기 전극 및 나트륨 기반 이중 이온 배터리 전극 등 나트륨 이온 배터리 관련 분야에서 더 나은 응용 시나리오를 가지고 있습니다.
에너지 밀도, 사이클 수명, 평균 전압, 안전성, 승수 성능, 고속 충전 성능 및 고온 및 저온 성능 측면에서 나트륨 이온 배터리, 리튬 철 인산염 배터리, 삼원계 배터리 및 납산 배터리의 특성을 비교 및 분석 한 결과 나트륨 이온 배터리는 전기 이륜차, 저속 전기 자동차, 에너지 저장 및 스타트-스톱의 응용 시나리오에서 좋은 전망을 가지고 있다고 믿습니다.
2023년부터 2025년까지 나트륨 배터리의 교체 비율이 5%, 15%, 25%라고 가정하면, 이에 해당하는 나트륨 배터리 설치 용량은 각각 9GWh, 33.7GWh, 72.5GWh입니다. 2023~2025년 나트륨 배터리용 경질 탄소 음극재 수요는 0.97만 톤, 3620만 톤, 779만 톤이 될 것으로 예상합니다.
경질 탄소 음극재 수요의 두 부분을 합산하면 2021년 경질 탄소 음극재 총 수요는 약 12,700,000톤, 2025년 경질 탄소 음극재 총 수요는 약 112,900,000톤으로 크게 성장하여 연평균 성장률이 72.8%에 달할 것으로 예상됩니다. 복합 성장률은 72.8%에 달합니다.
배터리 기술 업그레이드: 나트륨 이온 배터리용 경질 탄소 음극
비정질 탄소란 무엇인가요?
흑연 시스템과 비정질 탄소의 차이점
비정질 탄소에는 주로 다음이 포함됩니다. 경질 탄소 음극 재료와 연질 탄소로 구성되며, 일반적으로 무작위로 분포된 흑연화된 미세 구조, 꼬인 그래핀 나노 시트 및 위에서 언급한 미세 구조 사이의 기공으로 구성되며 정렬된 적층 구조가 부족합니다.
흑연은 가장 일반적인 리튬 이온 배터리 음극 전기 전도성이 좋고 비 용량이 높으며 사이클 성능이 우수한 장거리 정렬 적층 구조로 상업용 리튬 이온 배터리의 재료로 주로 아스팔트, 석유 코크스, 천연 흑연을 원료로 하며 층 간격은 0.335~0.34nm 정도입니다.
경질 탄소 음극재는 2800°C까지 가열해도 흑연화하기 어려운 비흑연화 탄소입니다. 구조가 고도로 무질서하고 산화 환원됩니다. 구조가 매우 무질서하고 산화 환원 전위가 낮아 다음에 더 이상적인 음극 재료로 간주됩니다. 나트륨 이온 배터리.
탄소 선택
흑연은 리튬 저장 능력이 우수하고 리튬 이온 배터리 분야에서 중요한 역할을 하지만, 나트륨 이온의 반경이 커서 충전 및 방전 시 나트륨 이온의 삽입 및 탈착을 방해하기 때문에 나트륨 이온 배터리에 적합한 음극 재료가 될 수 없으며, 사람들은 흑연의 나트륨 저장 성능을 향상시키기 위해 다양한 방법을 시도했지만 지금까지 만족할만한 결과를 얻지 못했습니다.
첫 번째 방법은 흑연 층의 간격을 넓혀 나트륨 저장 성능을 향상시키는 것입니다. 층 간격이 0.43nm인 팽창 흑연의 비 용량은 5C 다중성에서 2000 사이클 후 184mAh/g이고 용량 유지율은 73.92%인 것으로 밝혀졌지만 팽창 흑연의 정렬 구조는 본질적으로 팽창 흑연의 비정질화인 X-선 회절 스펙트럼에서 파괴된 것으로 나타났습니다. 이를 통해 더 많은 Na+가 흑연에 가역적으로 제거될 수 있지만, 이 환원 산화물 흑연은 여전히 낮은 ICE를 겪고 있으며, 환원 산화물 흑연에서 Na+의 저장 메커니즘은 여전히 불분명합니다.
비정질 탄소는 층 간격이 더 넓고 무질서한 미세 결정 구조로 인해 나트륨 이온 삽입 및 분리에 더 유리하기 때문에 실제로도 사용됩니다. 연질 탄소의 경우 흑연과 구조는 비슷하지만 질서가 덜 잡혀 있어 흑연보다 나트륨 인터칼레이션에 더 도움이 되고 낮은 전류 밀도에서 비 용량을 높일 수 있습니다. 소프트 카본의 낮은 비표면적과 표면 결함은 에스테르 전해질의 소비를 줄이고 ICE를 개선하는 데 도움이 될 수 있습니다.
상용화 관점에서 볼 때 연질 탄소 전구체는 무연탄으로 만들어져 가격이 저렴하고 탄화 수율이 높으며 안전성이 우수하고 전기 화학적 성능이 우수하며 상용화 가능성이 높습니다. 응용 시나리오에서 수정되지 않은 용량은 200-220mAh/g이며 충전/방전 영역은 주로 경사면으로 고전력 시나리오에 적합합니다. 경질 탄소 음극재는 흑연의 장거리 정렬 층상 구조에 비해 분자 수준에서 더 복잡한 구조를 가지고 있습니다.
경질 탄소 음극 소재의 독특한 구조는 내재 반응을 통한 나트륨 저장, 폐쇄 기공 내 원자 클러스터 형성을 통한 나트륨 저장, 전해질과 접촉하는 표면의 정전용량 흡착을 통한 나트륨 저장, 결함 관련 부위의 내부 표면 유사 정전용량을 통한 나트륨 저장 등 다양한 유형의 가역적 나트륨 저장 부위를 구현할 수 있게 해줍니다.
재료 충전 및 방전 영역에는 경사 섹션과 플랫폼 섹션이 있으며 일반적인 비 용량은 300-350mAh / g에 도달 할 수 있으며 최적화 된 수정 후에는 리튬 흑연의 이론적 비 용량 (372mAh / g)을 초과하는 400mAh / g에 도달 할 수 있습니다.
요약하면, 흑연은 리튬 이온 배터리의 중요한 음극 재료이지만 층 간격이 작고 흑연과 열적으로 안정적인 인터칼레이션 화합물을 형성할 수 없기 때문에 나트륨 이온 배터리에서의 적용이 크게 제한되며, 팽창 흑연으로 층 간격을 넓히고 전해질을 조정하여 문제를 개선할 수 있지만 여전히 낮은 ICE 및 전해질 안정성 저하와 같은 문제가 있습니다.
반대로, 낮은 순서의 연질 탄소는 나트륨 저장에 더 도움이 되고 전구체 비용이 저렴합니다. 경질 탄소 음극재의 복잡한 분자 수준 구조는 많은 유형의 나트륨 저장 활성 부위를 생성하고 최적화 된 수정 후 리튬 흑연의 이론적 비 용량을 초과 할 수있어 상업화 잠재력이 강합니다. 따라서 나트륨 이온 탄소 음극재에는 비정질 탄소, 특히 경질 탄소 음극재를 선택하는 것이 상대적으로 더 적절합니다.
경질 탄소 음극 소재의 잠재적 경쟁자
실리콘 기반 음극 재료
실리콘 기반 음극 재료의 장점은 상대적으로 높은 이론적 용량, 자연적으로 풍부함(실리콘은 지구상에 풍부한 원소), 적절한 전기화학적 전위(단단한 탄소 음극 재료보다 '리튬 수상돌기'를 형성할 가능성이 낮음) 등을 들 수 있습니다. ". 물론 실리콘 소재의 불가피한 부피 변화는 실리콘 기반 전극의 구조적 파열 또는 분쇄로 이어질 수 있으며, 이는 결국 SEI 필름의 통제되지 않은 성장으로 이어질 수 있으며, 본질적으로 전도성이 낮다는 단점도 분명히 존재합니다.
리튬 티타네이트 음극 소재
리튬 티타네이트 양극 재료는 또한 가능한 미래의 배터리 음극 재료이며, 그 장점은 다음과 같습니다 : 간단한 준비 방법, 높은 충전 및 방전 플랫폼, 안정적인주기, 높은 쿨롱 효율; "제로 변형"재료, 반응주기에서 결정의 부피는 안정적인 범위를 유지합니다 (부피 변화로 인한 전극 재료 흘림 현상을 효과적으로 해결); 안정적인 작동 전압 리튬 이온은 전극에 리튬 수상 돌기를 침전시키지 않습니다; 안정적인 전극 전압 플랫폼입니다.
낮은 전도도와 리튬 이온 확산 계수, 높은 전류 밀도에서 전극의 심한 분극으로 인해 전극 용량이 급격히 감소하고 SEI 필름의 형성으로 인해 전극과 전해질이 장시간 접촉하여 부작용이 발생한다는 단점도 있습니다. 다음은 상위 5가지입니다. 리튬 티타네이트 배터리 제조업체를 클릭해 보시기 바랍니다.
주석 기반 음극 재료
주석 기반 음극 재료는 현재 학자와 기업가들로부터 많은 관심을 받고 있습니다. 풍부한 자원, 높은 이론적 용량, 리튬 침전 전위보다 높은 내장 리튬 전위, 높은 승수에서 리튬 증착 방지, 높은 적층 밀도 등의 장점이 있습니다. 단점은 사이클링 중 Sn의 부피 팽창이 각각 259%(리튬 이온 배터리) 및 423%(나트륨 이온 배터리)에 도달하여 사이클링 성능에 심각한 영향을 미친다는 것입니다.
비정질 탄소의 특성을 결정하는 요소
하드 카본 음극 소재 대 소프트 카본
비정질 탄소 소재는 흑연화의 용이성에 따라 경질 탄소 음극재와 연질 탄소로 분류할 수 있습니다. 연질 카본은 일반적으로 고온 처리(2800°C 이상) 후 흑연화가 가능한 탄소 소재로, 무질서한 구조를 쉽게 제거할 수 있습니다.
경질 탄소 음극재는 일반적으로 고온 처리(2800°C 이상) 후에도 완전히 흑연화할 수 없는 탄소 소재이며, 고온에서 무질서한 구조를 제거하기 어렵습니다. 저온 및 중온(1000~1600°C)에서는 연질 탄소와 경질 탄소 음극재 사이에 뚜렷한 경계가 없으며 비정질 탄소라고 할 수 있습니다.
연질 탄소는 용량이 높지만 붕괴 속도가 빨라 실제 적용에 장애가 되고, 경질 탄소 음극재는 제조가 쉽고 사이클 수명이 길며 일부 실용적인 적용이 이루어지고 있습니다. 연질 탄소와 비교하여 경질 탄소 음극재는 무질서한 구조, 더 높은 결함 농도, 더 높은 이종 원자 함량 및 흑연 층 사이의 더 큰 거리, 더 닫힌 기공 구조를 가지고 있습니다.
이는 Na+ 이온의 더 많은 저장 부위와 확산 경로를 용이하게 합니다. 그러나 경질 탄소 음극재의 경제성은 연질 탄소 음극재에 비해 약간 떨어집니다. 나트륨 이온 배터리 중에서도 경질 탄소 음극재는 이러한 장점으로 인해 현재 응용 분야에서 지배적입니다. 또한 저렴한 비용, 지속 가능성 및 제조의 단순성으로 인해 경질 탄소 음극재의 상용화 가능성은 더욱 커지고 있습니다.
전구체
연질 탄소와 경질 탄소 음극재는 주로 전구체의 특성에 따라 달라집니다. 탄화 과정에서 최종 탄소(코크스)가 흑연화되기 위해서는 넓은 온도 범위에서 전구체가 융합된 상태로 나타나는 능력이 필요합니다. 이러한 융합 상태는 탄소 층의 재배열을 통해 열분해로 인한 가스가 쉽게 빠져나갈 수 있는 장거리 정렬 라멜라 구조를 형성하는 동시에 잔류물의 탄소 함량과 밀도를 증가시킬 수 있습니다.
비정질 탄소는 일반적으로 500~1500°C의 온도에서 유기 전구체를 열분해하여 생성됩니다. 열분해 후 최종 생성물은 경질 탄소입니다. 열분해의 최종 생성물이 경질 탄소 음극재인지 연질 탄소인지는 주로 전구체의 특성에 따라 달라집니다.
전구체는 크게 바이오매스 기반, 폴리머 기반, 수지 기반, 석탄 기반 탄소 물질로 분류됩니다. 바이오매스 전구체는 주로 식물의 뿌리와 잎입니다. 고분자 전구체는 일반적으로 포도당, 자당, 전분, 셀룰로오스, 리그닌을 포함한 탄수화물 전구체로 바이오매스에서 파생된 화학 제품입니다. 수지 전구체에는 주로 페놀 수지, 폴리아닐린, 폴리 아크릴로 니트릴이 포함됩니다.
경질 탄소 음극재를 생산하는 데 사용되는 전구체는 주로 바이오매스, 수지 및 폴리머 전구체입니다. 연질 탄소 소재를 제조하는 데 사용되는 전구체에는 주로 석유화학 원료와 석탄, 아스팔트, 석유 코크스 등의 다운스트림 제품이 포함됩니다. 그러나 직접 탄화된 소프트 카본 소재는 나트륨 이온 배터리에서 낮은 가역 용량을 보입니다.
아몰퍼스 카본은 가역 용량과 사이클 성능이 우수해 원가 제어 후 상용화가 기대되며, 경질 탄소 음극재는 그램 용량은 높지만 원가가 높고, 연질 탄소 소재는 그램 용량은 낮지만 가성비가 높다는 장점이 있습니다. 나트륨 이온 배터리 음극재의 핵심은 원가를 어떻게 낮출 수 있느냐입니다.
경질 탄소 음극재 제조의 핵심 기술 경로에는 원료 선택 및 전처리, 가교 및 경화, 탄화 및 정제가 포함됩니다. 전구체의 종류에 따라 경질 탄소 음극재 음극재 제조 공정에도 차이가 있습니다.
중간 단계의 온도 제어, 가스 분위기 및 가열 시간은 양극 재료의 기공 크기, 순도, 산소 함량 및 비표면적에 영향을 미칩니다. 또한 배터리의 최초 효율, 에너지 밀도, 안전성 및 기타 요소에도 간접적으로 영향을 미칩니다.
유기 고분자 전구체는 분자 구조가 비교적 간단하고 제어가 가능하며 관련 분자 구조의 필요에 따라 설계할 수 있어 탄소 소재 제조에 탁월한 전구체로 많은 관심을 받고 있습니다.
좋아하지 않음 음극 재료유기 고분자는 유기 저분자의 촉매 중합을 통해 제조되며, 규칙적인 형태의 경질 탄소 음극재 구조를 얻을 수 있고 합성 공정이 간단하다는 장점이 있어 향후 경질 탄소 음극재 소재의 대량 생산 및 응용을 위한 연구 가치가 높습니다.
바이오매스 기반 전구체는 풍부하고 지속 가능한 사용과 저비용 특성을 가지고 있습니다. 일반적으로 다량의 C와 일부 O, H, 심지어 N, S, P 등과 같은 다른 이종 원자를 포함합니다. 바이오매스는 저비용 고성능 경질 탄소 음극재를 위한 재생 가능하고 지속 가능한 전구체 생산에 좋은 선택입니다. 바이오매스를 경질 탄소 음극재로 전환하는 방법은 직접 탄화, 열수 탄화(HTC), 물리적 또는 화학적 활성화 등 간단합니다.
바나나 껍질, 이탄 이끼, 왕겨, 면화, 포도당, 단백질, 셀룰로오스 나노 결정과 같은 바이오매스는 나트륨 이온 배터리의 음극 재료로 사용되어 우수한 전기화학적 특성을 보여 왔습니다.
저가의 석유화학 부산물인 아스팔트는 탄소 함량이 높고 가격이 저렴해 현재 널리 사용되고 있습니다. 그러나 아스팔트 베이스는 고온 균열 시 쉽게 질서 정연한 구조를 형성할 수 있어 저장 용량이 100mAh/g 미만으로 매우 낮습니다. 현재 중국과학원에서는 아스팔트를 연질 탄소 전구체로, 수지를 경질 탄소 음극재 전구체로 복합화하여 나트륨 저장 용량을 300mAh/g으로 늘렸습니다.
경질 탄소 음극재에 대한 수요
리튬 이온 배터리 경질 탄소 음극재 수요 예측
현재 경질 탄소 음극재를 배치하는 대부분의 중국 기업은 리튬 이온 배터리에 적용하여 풍부한 결과와 관행을 달성했습니다. 리튬 이온 배터리의 음극재 선택에 있어 흑연이 주요 원료가 되었습니다.
흑연 음극의 구조적 결함은 리튬 이온 배터리의 음극 소재로서 사이클 안정성과 충방전 효율을 제한하는 반면, 경질 탄소 음극 소재의 등방성 구조적 특성, 큰 층 간격, 충방전 시 리튬 이온 확산 속도의 우수한 증식 성능은 리튬 이온 배터리 분야에서 경질 탄소 음극 소재를 더 나은 선택으로 만들어줍니다.
경질 탄소 음극재는 등방성 구조 특성, 더 큰 층 간격, 충전 및 방전 중 빠른 리튬 이온 분산 및 우수한 증식 성능을 가지고 있으므로 경질 탄소 음극재는 리튬 이온 배터리 분야에서 더 나은 응용 분야를 가지고 있습니다.
2021년 중국 리튬 배터리 음극 제품의 출하 구조는 여전히 인조 흑연이 84%를 차지해 가장 큰 비중을 차지하고 있으며, 천연 흑연은 14%로 두 번째로 큰 음극 제품 부문이며, 나머지 음극 재료는 2%입니다. 다른 부문 중에서는 경질 탄소 음극재와 연질 탄소 소재가 주요 부품입니다. 데이터에 따르면 2015년 전 세계 리튬 배터리 음극재 출하량 중 소프트 카본과 하드 카본 음극재가 1.7%를 차지했습니다.
최근 몇 년 동안 리튬 배터리에 경질 탄소 음극재를 적용하는 것도 산업적으로 약간의 진전을 이루었으므로 향후 몇 년 내에 경질 탄소 음극재가 리튬 배터리 음극의 응용 재료가되어 약 2%를 차지할 것으로 예상합니다. 리튬 배터리의 향후 출하량은 높은 추세를 보이고 있습니다.
신에너지 자동차의 전 세계 보급률이 계속 증가함에 따라 전력 배터리와 에너지 저장 배터리에 대한 수요는 계속해서 빠른 속도로 증가 할 것이며 2030 년 이전에는 다른 배터리 시스템이 여전히 대규모 산업 발전이 어렵고 리튬 이온 배터리가 주류 기술 경로로 남아있을 것입니다.
리튬 배터리 음극재에서 경질 탄소 음극재가 차지하는 비율이 높지 않기 때문에 경질 탄소 음극재 재료에 대한 리튬의 당김은 적을 것입니다. 경질 탄소 음극재 300mah/g 용량, 3.2V 전압 플랫폼, 1GWh 리튬 배터리 계산에 따르면 약 1125톤의 경질 탄소 음극재가 소비되며, 2025년까지 약 35,000톤의 경질 탄소 음극재가 2025년까지 리튬 배터리 양극재 생산에 사용될 것으로 예상됩니다.
나트륨 배터리용 경질 탄소 음극재에 대한 수요 예측
경질 탄소 음극재의 특성과 나트륨 이온 배터리의 적용 시나리오: 최근 한 연구팀이 경질 탄소 음극 소재의 전기화학적 특성을 실험한 결과, 나트륨 이온 배터리의 음극 소재로 사용했을 때 369.8 mAh/g의 높은 비용량을 나타냈으며, 경질 탄소 음극 소재는 낮은 레독스 전위(0.1-1.0 V)를 가지고 있다는 사실을 밝혀냈습니다.
경질 탄소 음극재 전구체의 바이오매스 관련 전구체의 광범위한 사용으로 인해 배터리 음극재로 친환경적인 선택이 된 것도 경질 탄소 음극재입니다. 결론적으로 나트륨 이온 배터리 응용 분야에서 경질 탄소 음극재는 흑연에 비해 층 간격이 더 넓고 나트륨과 열적으로 안정적인 인터칼레이션 화합물을 형성할 수 있으며 연질 탄소와 비교하여 나트륨 저장 용량이 더 커서 나트륨 이온 배터리 전극, 나트륨 이온 축전기 전극 및 나트륨 기반 이중 이온 배터리 전극 등 나트륨 이온 배터리 관련 분야에서 더 나은 응용 시나리오를 가지고 있습니다.
에너지 밀도, 사이클 수명, 평균 전압, 안전성, 승수 성능, 고속 충전 성능 및 고온 및 저온 성능 측면에서 나트륨 이온 배터리, 리튬 철 인산염 배터리, 삼원계 배터리 및 납산 배터리의 특성을 비교 및 분석 한 결과 나트륨 이온 배터리는 전기 이륜차, 저속 전기 자동차, 에너지 저장 및 스타트-스톱의 응용 시나리오에서 좋은 전망을 가지고 있다고 믿습니다.
2023년부터 2025년까지 나트륨 배터리의 교체 비율이 5%, 15%, 25%라고 가정하면, 이에 해당하는 나트륨 배터리 설치 용량은 각각 9GWh, 33.7GWh, 72.5GWh입니다. 2023~2025년 나트륨 배터리용 경질 탄소 음극재 수요는 0.97만 톤, 3620만 톤, 779만 톤이 될 것으로 예상합니다.
경질 탄소 음극재 수요의 두 부분을 합산하면 2021년 경질 탄소 음극재 총 수요는 약 12,700,000톤, 2025년 경질 탄소 음극재 총 수요는 약 112,900,000톤으로 크게 성장하여 연평균 성장률이 72.8%에 달할 것으로 예상됩니다. 복합 성장률은 72.8%에 달합니다.
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