고용량 실리콘음극(Si anode)의 장점과 단점

리튬이온배터리 에너지밀도를 늘리기 위한 방안으로 배터리의 용량을 늘리기 위한 여러 소재들이 연구되고 있다. 현재 사용하는 상용음극재인 흑연(Graphite)보다 약 10배의 고용량을 발현할 수 있는 실리콘음극(Si anode)에 대해 알아보자.

 

 

 

1. 장점

음극 적합성

실리콘 원소는 본질적으로 갖고 있는 작동전위가 음극에 적합하다. Li 금속과 Li 이온사이에서 적당한 0.5V까지의 작동 전위를 나타내기 때문에 음극으로 사용하기 좋다.

고용량구현가능

실리콘(Si)의 이론용량은 약 3590mAh/g 으로 기존 사용하는 음극재인 흑연(Graphite)의 용량(350mAh/g) 보다 약 10배 높은 성능을 갖는다. 

실리콘 음극 하프셀 충방전 (출처 : Carbon Energy. 2019;1–27)

위 그래프는 실리콘음극(Si anode)과 리튬메탈간의 Half cell을 조립하여 충방전 개형을 나타낸 그래프이다. 위 소재가 높은 용량을 갖는 이유는 흑연은 리튬이온을 저장할 때 탄소 6개를 사용하여 저장하지만, 그래프와 같이 실리콘은 원자 한 개당 4.4개의 리튬이온을 저장하기 때문이다. 

실리콘 음극 적용에 따른 셀 단위 효과

결과적으로 고용량의 리튬이온을 저장할 수 있는 장점이 있다. 추가적으로 배터리 셀 단위에서 위 그림과 같이 전기차에서 중요시하는 부피당 에너지밀도를 향상할 수 있다. 따라서 전세계 배터리 제조사들이 이와같은 소재를 사용하여 에너지밀도를 늘리려는 연구를 활발히 하고 있다.

 

 

 

2. 단점

부피팽창률 

실리콘 음극(Si anode)의 상용화가 어려운 주된 원인이 바로 부피팽창이다. 실리콘 음극은 400% 팽창하는 문제점이 있다. 예로 들면 1L짜리 실리콘 음극이 충전하면 4L로 커지는 것이다. 만약 실리콘 음극이 사용된 배터리 셀을 사용한다면 아마 부피팽창으로 인해 폭발사고가 일어날 것이다.

실리콘 음극의 문제점 (출처 : Carbon Energy. 2019;1–27.)

부피팽창의 메커니즘은 다음과 같다. 충-방전을 거듭하면 리튬이온이 왕복하면서 팽창-수축하는 실리콘 입자가 불안정해진다. 전극내부의 입자들과 도전재를 이어주는 바인더가 이 부피변화를 버티지 못하게 된다. 이로 인해 불안정해진 실리콘 입자는 Crack이 발생하고 결과적으로 미분화(쪼개짐)에 따른 문제가 발생한다. 미분화에 따라 집전체로부터 전극이 탈리되기 때문에 짧은 수명을 갖는다. 

충전 방전-> 실리콘음극 팽창수축-> 실리콘 입자 Crack에 따른 미분화 -> 전극집전체로부터 탈리 -> 전지수명저하 ★★★

 

 

 

이런 심각한 문제로 상용화는 되지 않고 현재 기존 Graphite 음극재에 소량 섞어 사용되고 있는 수준이다. 이런 문제를 해결하기 위해 안정한 SEI Layer를 설계하거나, 부피팽창수축을 억제하는 바인더 개발이 활발하게 진행되고 있다. 실리콘음극(Si anode)이 적용된 상용셀이 하루빨리 개발되기 바란다.