실리콘 이차전지에서 SEI 형성 억제 기술의 비교 실험

1. 서론 – 실리콘 음극의 고용량 이면에 숨겨진 ‘SEI 문제’

차세대 이차전지의 핵심 소재로 실리콘 음극재가 빠르게 주목받고 있다.
실리콘은 흑연 대비 약 10배에 달하는 이론용량(4200mAh/g)을 제공하며,
더 높은 에너지 밀도와 경량화를 동시에 달성할 수 있는 장점을 갖는다.

 

그러나 실리콘은 충·방전 과정에서 300% 이상 부피 팽창을 일으키며,
전해질과의 반복적인 반응을 통해 SEI(Solid Electrolyte Interphase, 고체전해질 계면막)를 끊임없이 재형성하게 된다.

이러한 SEI는 처음에는 음극과 전해질을 분리해주는 보호막 역할을 하지만,
불안정한 반복 형성은 리튬 이온 손실, 전기화학적 비효율성, 싸이클 수명 저하를 유발한다.

따라서 실리콘 이차전지의 상용화를 위해서는
SEI 형성 자체를 억제하거나, 안정적으로 제어할 수 있는 기술 개발이 핵심 과제로 부상하고 있다.

이 글에서는 실리콘 음극에서 SEI 형성을 억제하기 위한 대표 기술들을 비교 분석하고,
각 기술이 초기 효율과 싸이클 수명에 어떤 영향을 미치는지 실제 실험 데이터를 기반으로 상세히 분석한다.

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2. SEI 형성 메커니즘의 이해

SEI는 음극 표면에서 전해질의 환원 반응으로 형성되며,
주요 반응은 첫 충전(리튬 삽입) 시에 가장 활발히 발생한다.

▸ 대표 반응식

• EC (Ethylene Carbonate) → Li₂CO₃, ROCO₂Li, LiF 등
• 전자는 음극을 통해 이동, 리튬 이온은 전해질에서 공급됨
• 실리콘은 활성 표면적이 크고 표면 산화물도 많기 때문에
  일반 흑연보다 훨씬 더 많은 SEI가 형성됨

▸ 결과적으로 나타나는 문제점

• 불안정한 SEI의 반복 재형성
• Li+ 손실 증가 → 초기 효율 감소
• SEI 두께 증가 → 이온 전도도 저하
• 전극 내 저항 증가 → 출력 감소

이에 따라 실리콘 기반 이차전지에서는 SEI 억제 기술 도입이 사실상 필수로 간주된다.

 

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3. SEI 억제 기술 분류 및 적용 방식

실리콘 음극에서 SEI 형성을 제어하기 위한 주요 기술은
전해질 첨가제, 표면 코팅, 바인더 설계, 고체전해질 도입 등으로 나뉜다.

 표 1. SEI 억제 기술 분류 요약

구분기술명주요 기전

 

전해질 첨가제	FEC, VC, LiDFOB 등	SEI 전구체 우선 반응 → 얇고 안정적인 SEI 형성
표면 코팅	탄소, 알루미나, TiO₂ 등	음극 표면에 물리적 장벽 형성
바인더 제어	PAA, CMC, Alginate 등	팽창 억제 → SEI 파손 최소화
고체전해질 적용	LLZO, LPS 등	액체 전해질과의 접촉 자체 차단

 

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4. 실험 설계 – 각 기술의 비교 분석

본 실험은 동일한 실리콘 음극을 사용하고,
SEI 억제 기술만 다르게 적용한 셀을 제작하여 성능을 비교했다.

▸ 공정 조건 요약

• 음극 재료: 실리콘 나노입자 (100nm)
• 도전재: Super-P Carbon
• 바인더: CMC/PAA (2:1) 고정
• 전해질: 1M LiPF₆ in EC/DEC + 5% FEC (FEC 제외 셀도 존재)
• 셀 형식: CR2032 코인셀
• 온도: 25°C, 습도 < 1%
• 분석 기간: 50 싸이클

 표 2. 실험 샘플 구성

샘플명SEI 억제 기술비고

 

A	기준 셀 (기술 없음)	FEC 미첨가, 코팅 없음
B	전해질 첨가제 (FEC)	5% wt
C	탄소 코팅	실리콘 표면에 5nm 카본 레이어
D	바인더 최적화	PAA 단일 적용
E	고체전해질	LPS 기반 세라믹 전해질 적용

 

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5. 초기 효율 및 싸이클 수명 비교 결과

 표 3. 초기 효율 (ICE) 및 싸이클 후 유지율

샘플명초기 효율 (%)50 싸이클 후 용량 유지율 (%)

 

A	58.2	41.5
B	68.7	58.4
C	71.9	63.2
D	70.1	60.9
E	74.4	66.7

 

 해석

• 고체전해질 적용 셀(E)이 가장 높은 초기 효율과 싸이클 유지율을 보였다.
  이는 액체 전해질과의 직접 접촉을 줄여 SEI 형성 자체를 억제했기 때문이다.
• 탄소 코팅 셀(C)도 높은 안정성을 보였으며,
  코팅층이 리튬 이온은 투과시키되 전해질 환원은 억제하는 역할을 함.
• 전해질 첨가제(B)는 형성되는 SEI를 얇고 균일하게 만들지만,
  시간이 지날수록 반복 손상으로 인해 성능 저하가 발생함.

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6. SEI 억제 기술의 실제 구조적 차이

 표 4. 억제 기술별 SEI 두께 및 균일도

샘플명평균 SEI 두께 (nm)SEI 균일도 (±nm)계면 저항 (Ω·cm²)

 

A	180	±35	236
B	98	±21	158
C	64	±12	112
D	76	±15	120
E	42	±8	94

 

고체전해질 셀은 가장 얇고 균일한 SEI를 형성하며,
이로 인해 계면 저항이 낮고 리튬 이온 이동이 원활하다.

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7. 경제성 및 대량 적용 가능성

기술적 효과 외에도 대량 생산 환경에서의 적용 가능성은 매우 중요하다.

기술재료비용제조 난이도공정 통합성

 

전해질 첨가제	낮음	쉬움	높음
탄소 코팅	중	중	보통
바인더 제어	낮음	쉬움	높음
고체전해질 적용	높음	어려움	낮음

 

실제 상용화에 가까운 기술은 전해질 첨가제와 바인더 설계이며,
탄소 코팅은 중간 수준의 비용과 효과를 제공하는 전략적 선택지로 평가된다.

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8. 결론 – SEI 억제는 실리콘 음극 기술의 핵심 전략이다

1. 실리콘 음극의 가장 큰 단점은 SEI 형성 반복으로 인한 초기 효율 저하와 수명 감소다.
2. 다양한 억제 기술 중, 실험 결과 고체전해질과 탄소 코팅 기술이 가장 뛰어난 효과를 보였다.
3. 그러나 비용과 생산성 측면에서는 전해질 첨가제와 바인더 최적화가 현실적인 대안으로 평가된다.
4. 얇고 균일한 SEI 형성을 위한 복합 전략이 향후 실리콘 이차전지 상용화에 결정적인 역할을 할 것으로 전망된다.