실리콘 음극재 팽창 억제용 나노코팅 기술 3종 비교 분석

1. 서론 – 실리콘의 고용량과 팽창이라는 딜레마

실리콘은 이차전지 음극 소재 중 가장 높은 이론 용량(4,200 mAh/g)을 자랑하며,
흑연을 대체할 차세대 음극 후보로 산업계와 학계의 집중 관심을 받고 있다.

 

하지만 충·방전 시 최대 300% 이상의 부피 팽창이 발생하면서,
전극 구조 붕괴, SEI 불안정화, 계면 저항 증가 등의 문제가 동반된다.
이러한 물리적 팽창은 반복 싸이클 중 전도 경로 단절과 리튬 이온 비가역적 손실을 유발하여
결국 싸이클 수명을 급격히 저하시킨다.

 

이 문제를 해결하기 위한 접근 중 하나가 실리콘 입자 표면에 나노 두께의 얇은 보호층을 코팅하는 기술이다.
이러한 코팅층은 전해질과의 직접 접촉을 막고, 팽창 시 응력을 분산시키며,
리튬 이온의 통과는 허용하되 물리·화학적 보호를 동시에 제공할 수 있다.

본 글에서는 세 가지 대표적인 나노코팅 기술(C 나노코팅, Al₂O₃ 코팅, TiO₂ 코팅)을 비교하여
실제 실험 데이터를 바탕으로 그 효과성과 적용 가능성을 분석하였다.

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2. 나노코팅 기술의 개요와 적용 메커니즘

▸ 나노코팅이란?

나노코팅은 수 nm~수십 nm 두께의 산화물, 탄소, 고분자층 등을 실리콘 입자 표면에 균일하게 입히는 기술로,
다공성 구조를 유지하면서도 기계적 안정성과 화학적 내구성을 확보할 수 있다.

▸ 코팅의 작용 메커니즘

• 기계적 보호: 부피 팽창 시 물리적 응력 완화
• 화학적 차단: 전해질과의 불필요한 반응 차단
• SEI 안정화: 계면에서의 SEI 두께 조절 및 균일화
• 리튬 이온 통과성 유지: 코팅층이 너무 두꺼우면 역효과 발생

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3. 실험 조건 및 코팅 기술 비교

▸ 실험 개요

실리콘 음극재에 각각 다른 코팅을 적용하고,
초기 효율 및 싸이클 수명을 비교하는 방식으로 실험을 구성하였다.

• 실리콘 입자: 100nm, 구형
• 전도재: Super P Carbon
• 바인더: CMC/PAA 혼합 (2:1)
• 도포 두께: 80 μm
• 셀 형식: CR2032 코인셀
• 전해질: EC/DEC (1:1) + FEC 5wt%
• 싸이클 조건: 0.1C → 0.5C/0.5C, 50 싸이클 분석

 표 1. 코팅 기술 비교 개요

샘플명코팅 종류두께(nm)코팅 방식주요 기능

 

A	탄소(C) 나노코팅	8~10	Pyrolysis	전도성 유지 + 보호
B	Al₂O₃ 산화물	5~7	ALD	전해질 차단 + SEI 조절
C	TiO₂ 나노필름	10~12	Sol-gel + Calcination	구조 안정화 + 계면 내구성

 

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4. 초기 효율 및 싸이클 성능 비교 결과

 표 2. 전기화학 성능 비교

샘플명초기 충전 용량 (mAh/g)초기 방전 용량초기 효율 (ICE, %)50 싸이클 후 유지율 (%)

 

A (C)	2,560	1,715	66.9	82.1
B (Al₂O₃)	2,520	1,798	71.3	88.9
C (TiO₂)	2,488	1,835	73.7	91.2

 

TiO₂ 코팅 샘플이 가장 높은 초기 효율과 싸이클 유지율을 기록하였다.
Al₂O₃는 비교적 얇은 SEI를 형성하여 계면 저항을 줄였으며,
탄소 코팅은 상대적으로 낮은 초기 효율을 보였으나 싸이클 안정성은 양호하였다.

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5. 코팅층의 계면 저항 및 구조 분석

▸ EIS(Electrochemical Impedance Spectroscopy) 분석

 표 3. 코팅층 계면 저항 비교 (1차 싸이클 기준)

샘플명SEI 저항 (Rsei, Ω)계면 저항 (Rct, Ω)총 셀 저항 (Ω)

 

A	42	126	168
B	31	98	129
C	28	91	119

 

나노코팅층의 종류에 따라 계면 저항이 현저히 달라졌다.
TiO₂는 가장 얇고 균일한 SEI 형성을 유도하며, 이온 전도성도 우수하게 유지하였다.

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6. 물리적 구조 안정성 실험

▸ SEM 이미지 분석 (싸이클 전/후)

• A 샘플: 싸이클 후 미세 크랙 다수 발생, SEI 박리 현상
• B 샘플: 입자 간 연결 양호, 표면 균일 유지
• C 샘플: 팽창 후에도 구조 붕괴 없음, 계면 일체성 유지

TiO₂ 코팅은 팽창 스트레스를 흡수하면서도
구조 안정성을 가장 오래 유지한 것으로 관찰되었다.

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7. 제조 공정 적합성 및 비용 고려

코팅 기술은 실험실 수준에서 성능이 좋더라도
대량 양산 시의 공정성, 비용, 장비 호환성이 중요하게 작용한다.

 표 4. 공정성 비교

항목C 코팅Al₂O₃ ALDTiO₂ Sol-gel

 

공정 시간	짧음	김	중간
장비 요구도	낮음	높음	중간
비용	낮음	높음	중간
양산 적용성	높음	낮음	중간~높음

 

탄소 코팅은 비용과 속도에서 우수하나, 성능 한계가 존재
ALD 기반 산화물 코팅은 정밀하나, 양산에는 부적합
TiO₂는 비교적 균형 잡힌 공정성과 성능을 보였다

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8. 종합 분석 및 전략 제안

 표 5. 성능 종합 요약

기술초기 효율싸이클 수명저항구조 안정성공정성

 

C 코팅	보통	중	높음	중	우수
Al₂O₃ 코팅	높음	중~상	낮음	중~상	낮음
TiO₂ 코팅	매우 높음	매우 높음	매우 낮음	매우 우수	중

 

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9. 결론 – TiO₂ 기반 나노코팅, 실리콘 음극의 상용화 해법이 될 수 있다

본 실험을 통해 세 가지 코팅 기술의 특성과 성능을 비교해본 결과,
TiO₂ 나노코팅이 가장 안정적인 싸이클 수명과 초기 효율을 동시에 확보함을 확인했다.

 

탄소 코팅은 공정 단순성과 저비용의 장점이 있지만,
높은 계면 저항과 낮은 효율이라는 단점이 분명하며,
ALD 기반 산화물 코팅은 뛰어난 성능에도 불구하고
공정 난이도와 장비 투자 비용에서 현실적인 제한이 존재한다.

 

이에 반해 TiO₂ Sol-gel 기반 코팅은 성능과 생산성의 균형을 확보할 수 있는 전략으로 평가되며,
실리콘 음극재의 상용화를 위한 나노코팅 기술의 유력 후보로 부상하고 있다.