화성공정의 핵심 : SEI (Solid Electrolyte Interphase) 란 무엇인가?

리튬이온 전지의 성능을 좌우하는 SEI에 대해 알아보자.  SEI는 셀이 조립되고 난 후 '전지가 첫 충전을 하는 과정에서 전극 표면에 형성되는 부동태 막'을 일컫는다. 과거에는 음극만을 명칭 했지만 현재는 전극은 양극/음극 둘 다 해당되며, 어떤 문헌에서는 양극은 CEI (Cathode electrolyte interphase)로 구분하여 정의하는 문헌도 있다. 이때 생기는 막의 형태에 따라서 전지 성능이 좌우되기 때문에 배터리 제조사들에게 있어, SEI 가 형성되는 화성공정은 대외비로 알려져 있다.

 

리튬이차전지 제조 공정단계 (자료: 한화투자증권 리서치센터)

SEI 의 형성과정 (출처 : ACS Energy Lett.   2022 , 7 , 4 , 1446-1453)

SEI 층이 어떻게 정확하게 형성되는지 그에 대한 메커니즘은 아직까지도 발견되지 않은 상태이지만, 현재 제시된 논문들을 근거하여 SEI의 형성과정을 좀 더 자세히 설명하면, 배터리가 제조된 후 배터리에 충전을 시키면 양극에서 리튬이온이 음극으로 이동하면서 전극 내부에서 산화-환원 반응이 일어나게 된다. 

 

 

전극 ㅣ 무기물층 ㅣ 유기물층 ㅣ Bulk 전해액

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음극표면에서 배터리 내부를 구성하는 전해액(리튬염, Carbonate 용제)과 화학반응이 발생하게 되고 전극 표면에 주로 무기물 종류의 Carbonate 화합물로 코팅층이 형성된다. 그다음으로 유기물이 그위를 코팅층으로 형성하며 전기는 통하지 않으면서 리튬이온만 통과시키는 부동태 막이 형성된다. 이 전반적인 공정을 화성공정(Formation)이라고 부르며, 이 과정을 통해 SEI 층이 생성된다.

SEI 가 형성된 리튬이온 배터리 (출처 : LESC)

이렇게 형성되는 SEI 막이 중요한 이유는 예를들어 균일하지 못하고 울퉁불퉁한 SEI 막이 형성되면 해당 막 자체가 저항으로 작용하여 리튬이온의 수송을 저하시키고 전지 성능을 떨어뜨리기 때문이다. 결국에는 이러한 것이 배터리 수명을 좌우하게 된다. 따라서 균일하고 리튬이온을 잘 수송할 수 있는 그런 SEI 막을 형성하는 것이 매우 중요하다.

 

 

이에 따라 배터리 셀 제조사들은 SEI 를 형성하는 재료인 전해액에 첨가제를 넣어 SEI를 설계하기도 한다.해당 전해액 첨가제에 대한 내용들은 이후 글에서 다루도록 하겠다.