1. 서론 - Shell 재질의 선택이 실리콘 음극의 상용화를 좌우한다.
실리콘(Si) 음극재는 이론용량 3,579 mAh/g이라는 고용량 특성 덕분에 차세대 전고체 배터리의 핵심 소재로 주목받고 있다. 그러나 실리콘은 충·방전 시 300% 이상의 부피 팽창을 수반하며, 이로 인해 전극 구조 손상, 계면 박리, 전해질 분해 등의 문제가 반복적으로 발생한다. 이를 구조적으로 보완하기 위한 설계로 Yolk–Shell 구조가 사용되며, 특히 Shell의 재질 선택은 이 구조의 성능을 결정짓는 핵심 요인이다.
Shell은 단순한 외피가 아니라 다음과 같은 기능을 동시에 수행해야 한다:
- 기계적 안정성 제공 (팽창 억제)
- 리튬 이온 확산 허용 (전기화학 반응 유지)
- 전도성 보완 (전극 전체 저항 감소)
- 계면 보호층 역할 수행 (전해질과의 반응 차단)
이러한 다기능을 수행하기 위해 단일 재료보다는 복합소재(Composite Shell)가 더욱 적합하다는 인식이 확산되고 있으며, 본 분석에서는 Shell 재료의 특성과 이를 복합화했을 때의 효과를 실험 데이터를 기반으로 비교하고, 최적의 복합소재 설계 전략을 도출한다.
2. Shell 재료의 핵심 물성 요건 정리
Shell이 갖추어야 할 기본 물성
| 기계적 강도 | 2~10 GPa 수준 (팽창 저항) |
| 탄성률 (E) | 유연성 확보 (20~100 GPa) |
| 이온 투과성 | Li⁺ 확산 가능 구조 |
| 전기전도도 | >10⁻² S/cm 이상 (전도 보완) |
| 화학적 안정성 | 고체 전해질과 비반응성 |
| 열 안정성 | >400°C 이상 (열처리 공정 대응) |
단일 재료로 이 모든 특성을 만족시키기는 어렵기 때문에, 다양한 소재의 복합 설계 전략이 필수적이다.
3. 단일 소재 vs 복합소재 Shell의 특성 비교
실험 구성
- 공정 방식: Spray-Coating + 열처리
- Yolk: Si 나노입자 (150nm)
- Shell 두께: 10nm
- 비교 항목: Shell 물성, 셀 성능, 구조 안정성 등
표 1. 주요 Shell 단일 소재 및 복합소재 특성 비교
| 아몰퍼스 카본 | 단일 | 3.2 | 1.3×10⁻² | 양호 | 보통 | 3.8 |
| TiO₂ | 단일 | 6.5 | 1.2×10⁻⁶ | 낮음 | 우수 | 3.0 |
| SiC | 단일 | 11.4 | 1.6×10⁻⁷ | 매우 낮음 | 우수 | 2.7 |
| N-Graphene | 단일 | 4.5 | 3.2×10⁻¹ | 양호 | 보통 | 4.2 |
| TiO₂/C 복합소재 | 층상 코팅 | 5.6 | 2.1×10⁻² | 우수 | 우수 | 4.5 |
| Graphene/C 복합소재 | 분산형 복합 | 4.3 | 5.6×10⁻¹ | 우수 | 보통 | 4.7 |
✅ 결론: Graphene 복합형 Shell이 전기·기계적 성능 모두 우수
➤ TiO₂/C 복합은 화학적 안정성과 균형성 측면에서 유리
4. 셀 성능 실험 결과: Shell 재질에 따른 싸이클 특성
조건
- 고체 전해질: Li₆PS₅Cl (황화물계)
- 양극: NCM622
- 싸이클: 0.1C, 100싸이클
- 압력: 150 MPa
표 2. Shell 재질별 셀 성능 비교
| 아몰퍼스 카본 | 2,890 | 65.4 | 98.1 | 318 |
| TiO₂ | 2,730 | 62.2 | 97.6 | 293 |
| N-Graphene | 2,940 | 72.5 | 98.6 | 245 |
| TiO₂/C 복합 | 2,880 | 75.3 | 98.9 | 201 |
| Graphene/C 복합 | 2,950 | 77.8 | 99.0 | 184 |
✅ 복합소재 Shell이 단일 소재 대비 싸이클 안정성과 계면 저항에서 월등
➤ 특히 Graphene/C 구조는 높은 전도성과 탄성 확보
5. 기계적 응력 완화 효과 분석
FEM 기반 유한요소 시뮬레이션으로 Shell 재질별 응력 분산 효과 평가
표 3. Shell 재료별 최대 Mises 응력 (충전 완료 시점 기준)
| 아몰퍼스 카본 | 118.2 | 76.1 | 중 |
| TiO₂ | 92.4 | 55.3 | 낮음 |
| Graphene/C 복합 | 79.6 | 48.2 | 매우 낮음 |
☑️ 복합소재 Shell이 기계적 하중 분산에 훨씬 효과적임
6. 복합소재 설계 전략: 비율, 구조, 배치
복합소재를 설계할 때는 단순한 재료 혼합이 아닌, 계층적 구조 설계가 필수이다.
설계 요소별 고려 사항
| 재료 비율 | 전도성 재료(C) 60~70%, 안정화 재료 30~40% |
| 배치 방식 | 이중층 코팅 (Core/Shell 또는 Layered) |
| 두께 설정 | 10nm ± 2nm (Shell 기준) |
| 열처리 온도 | 500~600°C 사이에서 구조 안정화 |
7. 산업화 가능성 및 비용 분석
표 4. 복합소재 Shell의 제조 단가 비교 (USD/kg 기준)
| 단일 C | 10~15 | 낮음 | 45~50 |
| TiO₂/C 복합 | 18~25 | 중간 | 65~75 |
| Graphene/C 복합 | 25~35 | 중~높음 | 80~95 |
💰 복합소재는 고가이지만 수명 향상에 따른 TCO 감소 효과 큼
결론 - 복합소재 Shell은 실리콘 음극의 상용화를 앞당긴다.
복합소재 기반 Shell은 단일 재료가 해결하지 못했던 기계적 강도, 이온 확산성, 전기전도도, 계면 안정성을 동시에 확보할 수 있는
가장 실용적이며 효과적인 구조 해법이다.
🔹 기술적 정리
| 기계적 안정성 | 중 | 높음 | 높음 | 높음 |
| 이온 투과성 | 중 | 낮음 | 높음 | 매우 높음 |
| 전기전도도 | 중 | 낮음 | 중상 | 매우 높음 |
| 용량 유지율 | 65.4% | 62.2% | 75.3% | 77.8% |
| 계면 저항 | 318 | 293 | 201 | 184 |
- Graphene/C 복합소재 Shell은 가장 우수한 전기화학적 특성과 기계 안정성 제공
- TiO₂/C 복합소재는 안정성과 생산 공정 측면에서 균형 잡힌 선택
- 향후 Shell 설계는 “기계적 보호 + 전도성 + 이온 확산”을 통합하는
다기능 복합화 전략 중심으로 재편될 것이다.