서론 - 고용량 실리콘의 한계는 ‘전도성’이다.
실리콘(Si)은 음극재로서 3,579 mAh/g의 이론용량을 가지며, 이는 상용 흑연(372 mAh/g) 대비 약 10배 이상 높은 수치다. 하지만 이처럼 높은 이론적 장점에도 불구하고, 실리콘 음극재는 낮은 전기전도도(약 10⁻⁵ S/cm), 극심한 부피 팽창(300~400%), 그리고 싸이클 수명 저하 문제로 인해 상용화가 제한되어 있다.
그중에서도 전기전도성 부족은 전극 전체의 반응 균일성을 저해하며, 국부적 리튬 집적, 입자 고립, 충·방전 속도 저하 등 치명적인 문제를 유발한다.
이러한 문제를 해결하기 위해 실리콘 음극재는 탄소 기반의 전도성 물질과 복합화되는 것이 필수 전략으로 자리 잡고 있다. 탄소는 전기전도도가 높고, 다양한 구조(그래핀, CNT, 아몰퍼스 카본 등)로 구현될 수 있으며, 실리콘 입자와의 결합을 통해 전자 이동 경로를 제공하고, 입자 간 응집 및 분산도 향상시킬 수 있다.
본 분석에서는 탄소 복합화를 통해 실리콘 음극재의 전기전도성이 어떻게 향상되는지를 이론적으로 정리하고, 다양한 탄소 구조에 따른 전극 특성 차이를 실험 데이터 기반 표와 함께 분석한다.
1. 실리콘의 전도성 한계와 탄소 복합의 필요성
실리콘의 전도도는 약 10⁻⁵ S/cm로, 흑연(약 10⁻² S/cm)이나 CNT(>10² S/cm)에 비해 훨씬 낮다. 이로 인해 충·방전 시 전자 이동이 느려지고, 리튬의 확산과 저장 반응이 국부적으로 일어나게 된다.
주요 문제점
- 전극 저항 증가 → 출력 저하
- 전극 반응 불균일 → 싸이클 수명 감소
- 전해질과의 국부적 반응 유도 → SEI 비정상 성장
탄소 복합화는 다음과 같은 효과를 기대할 수 있다.
- 전도 경로 형성 (Percolation Pathway)
- 전극 구조의 유연성 확보
- 전자-이온 동시 전달 매트릭스 형성
- 충·방전 효율 향상 및 용량 유지율 상승
2. 탄소 복합화 방식과 구조별 특징
탄소 복합화는 크게 3가지 방식으로 구현된다.
- 코어–쉘 구조 (Core-Shell)
- 실리콘 입자 외부에 얇은 탄소층을 코팅
- CVD, 열분해 방식으로 제작
- 분산형 복합체 (Dispersed Composite)
- 실리콘 나노입자와 탄소 분말(CNT, CB 등)을 혼합
- 슬러리 도포 후 압축 형성
- 3D 네트워크형 복합체
- CNT나 Graphene으로 전극 매트릭스를 구성
- 실리콘이 네트워크 안에 포집되는 구조
표 1. 탄소 구조 유형에 따른 전기전도성 기대효과
| 코어–쉘 | 실리콘 표면을 균일하게 덮어 접촉 면적 확보 | 중 | 낮음 | 중간 |
| 분산형 복합체 | 다수 탄소 입자 혼합 → 다중 전도 경로 생성 | 낮음 | 중간 | 높음 |
| 3D 네트워크 구조 | 연속적인 전자 흐름 채널 → 고속 충방전 가능 | 높음 | 높음 | 매우 높음 |
3. 실험 설계 및 조건
실험 목적
- 탄소 복합 구조 유형에 따른 실리콘 음극의 전도성, 전극 저항, 초기용량 및 싸이클 수명 비교
실험 조건 요약
- 실리콘 입자: CVD Si, 평균 크기 120nm
- 탄소 구조: (1) 무첨가, (2) 코어–쉘 (3%) (3) CB 혼합형 (15%), (4) CNT 네트워크 (5%)
- 바인더: CMC/SBR
- 전해질: 황화물계 고체 전해질 (Li₆PS₅Cl)
- 셀 구조: 실리콘 음극 – 고체 전해질 – NMC 양극
- 테스트: EIS, 충·방전 싸이클, 전도도 측정
4. 실험 결과: 전기전도성 및 저항 분석
표 2. 탄소 복합 구조에 따른 전도성 및 전극 저항 비교
| 무첨가 (순수 Si) | 1.3×10⁻⁵ | 412 | 710 |
| 코어–쉘 (3%) | 2.4×10⁻³ | 210 | 345 |
| CB 혼합 (15%) | 3.9×10⁻² | 138 | 202 |
| CNT 네트워크 (5%) | 7.2×10⁻² | 92 | 148 |
🔍 해석:
- CNT 네트워크 구조가 전도도 및 저항 측면에서 가장 뛰어남
- 코어–쉘 구조는 균일한 피복으로 SEI 저항 증가 억제
- CB는 전도도 향상에는 유리하지만 구조적 안정성은 상대적으로 낮음
5. 충·방전 특성 및 싸이클 수명 비교
표 3. 복합 구조에 따른 용량 특성 및 싸이클 유지율
| 무첨가 Si | 2,910 | 38.6 | 96.5 |
| 코어–쉘 구조 | 2,880 | 61.3 | 98.2 |
| CB 혼합 복합체 | 2,940 | 65.7 | 98.5 |
| CNT 네트워크 | 2,950 | 73.4 | 98.9 |
✅ CNT 구조는 싸이클 수명과 Coulombic 효율 모두에서 가장 우수한 결과
➤ 이는 연속적인 전도 네트워크가 리튬 이동의 균일화를 유도하고, 입자 고립을 방지함
6. 탄소 복합화가 전기화학적 반응에 미치는 영향
탄소 복합 구조는 단순히 전자 전도성을 개선하는 것을 넘어서, 이온 확산 균일화, 기계적 충격 흡수, SEI 형성 안정화 등에도 큰 영향을 미친다.
- CNT 기반 복합체는 내부 응력 분산에도 탁월
- 코어–쉘은 표면 반응을 균일하게 유지하여 SEI 막 손실 최소화
- 분산형 CB는 저비용이 장점이나, 반복 싸이클에서 탄소 입자의 재배열 문제가 발생할 수 있음
7. 경제성 및 공정 난이도 비교
표 4. 탄소 복합화 구조별 적용 경제성 평가
| 코어–쉘 (CVD) | 60~80 | 중 | 중간 | 파일럿 단계 |
| CB 분산 | 10~20 | 낮음 | 높음 | 상용화 |
| CNT 네트워크 | 150~200 | 높음 | 낮음 | 연구단계~초기 |
💰 경제성 측면에서는 CB 혼합이 유리하나,
🧪 전기화학적 성능 극대화에는 CNT 복합 구조가 우세
결론 - 탄소 복합화는 실리콘 음극재 상용화의 전제 조건이다.
실리콘 음극재는 고용량이라는 분명한 장점에도 불구하고, 전도성 한계로 인해 실제 응용에서 큰 제약을 받아왔다. 본 분석 결과, 탄소 복합화는 전도성 향상뿐 아니라 구조 안정성, 싸이클 수명, SEI 안정성 향상에도 기여함을 확인할 수 있었다.
특히 다음과 같은 정량적 성과를 확인하였다:
- 전도도 10⁻⁵ → 10⁻² 수준으로 향상 (최대 1,000배 이상)
- 전극 저항 412Ω → 92Ω 수준으로 감소
- 싸이클 용량 유지율 38% → 73%로 2배 향상
그러나 고성능 탄소 구조일수록 재료비, 공정 난이도, 산업화 장벽이 커지므로, ‘성능-공정성-비용’의 최적 균형을 찾는 것이 핵심 과제다.
앞으로의 실리콘 음극재 개발은 단순한 소재 선택이 아니라, 어떤 탄소 구조를 어떤 방식으로 결합할 것인지에 대한 고도화된 전략이 병행되어야 하며, 산업적 확장성까지 고려된 탄소 복합화 기술이 실리콘 음극의 상용화 열쇠가 될 것이다.