실리콘 이차전지 고밀도 압축 공정에서의 미세균열 발생 조건 분석

1. 서론 – 고밀도화 추세와 실리콘 음극의 취약성

차세대 이차전지 기술에서 에너지 밀도 향상을 위한 핵심 중 하나는 전극의 고밀도화이다.
특히 실리콘 음극재는 이론 용량이 4,200 mAh/g에 달해, 동일한 부피 안에 더 많은 에너지를 저장할 수 있다.

 

그러나 실리콘은 충·방전 시 300% 이상의 팽창을 보이며, 기계적 강도와 구조 복원력이 낮아 물리적 압축과 싸이클 팽창-수축에 의한 미세균열 발생 문제가 심각하다.

고밀도 압축 공정은 슬러리 도포 후 롤프레싱이나 핫프레싱을 통해 전극 밀도를 인위적으로 높이는 기술이지만, 과도한 압력 조건은 실리콘 입자 및 바인더 네트워크에 응력 집중 현상을 유발한다.

 

본 글에서는 실리콘 음극의 고밀도 압축 공정에서 미세균열이 어떤 조건에서 발생하며,
그 구조적·전기화학적 영향이 어떻게 나타나는지 실험을 기반으로 정밀 분석한다.

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2. 실리콘 음극의 압축 공정 개요

▸ 고밀도 전극 제조의 일반 흐름

1. 슬러리 혼합 – 실리콘, 바인더, 도전재를 혼합하여 분산성 확보
2. 도포 및 건조 – Cu foil에 균일 도포 후 건조
3. 압축(Roll-Press) – 도포층을 원하는 두께까지 압축
4. 전극 밀도 조절 – 공정 압력과 속도로 조절 가능

▸ 주요 변수

항목영향 요소

 

압축 압력	입자 간 간격, 응력 집중
압축 속도	응력 분포 균일성
실리콘 비율	구조적 취약도
바인더 조성	응력 완충 능력

 

압축이 고밀도화에 기여하더라도,
임계 압력을 넘어서면 미세균열이 급격히 증가하는 비선형적 특성이 있다.

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3. 실험 설계 – 압력 조건별 균열 발생 분석

▸ 공정 구성

• 실리콘 입자: 120 nm
• 바인더: CMC/PAA 혼합 (2:1)
• 도전재: Super P Carbon
• 압축 압력: 50, 80, 110, 140 MPa
• 슬러리 도포 두께: 100 μm
• 건조 후 압축률: 약 30~50%
• 관찰 도구: SEM (표면), FIB-SEM (단면)

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 표 1. 압력 조건별 전극 물성 변화

압력 (MPa)전극 두께 (μm)압축률 (%)전극 밀도 (g/cm³)

 

50	88	12	1.35
80	74	26	1.49
110	64	36	1.61
140	58	42	1.66

 

압력이 증가할수록 전극 두께는 감소하고 밀도는 증가하였지만,
110 MPa 이후부터 압축률 대비 효율이 낮아지는 경향을 보였다.

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4. 미세균열 발생 경향 분석

▸ SEM/FIB 관찰 결과

• 50 MPa: 거의 균열 없음, 다공성 유지
• 80 MPa: 입자 경계선 미세 균열 개시
• 110 MPa: 입자 간 크랙 연결 관찰
• 140 MPa: 전극 표면과 내부 전체에 불균일 균열 분포

 표 2. 균열 발생 빈도 및 평균 크기

압력 (MPa)균열 발생 빈도 (개/100μm²)평균 균열 길이 (μm)

 

50	1.2	0.3
80	5.6	1.1
110	13.7	2.9
140	21.5	4.3

 

110 MPa 이상에서 입자 응력 집중 → 바인더 결합 붕괴 → 균열 전이 현상이 명확히 관찰되었다.

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5. 전기화학적 성능 변화와의 상관관계

▸ 싸이클 유지율 및 초기 효율

• 테스트 조건: 0.1C 초기 충전, 이후 0.5C 싸이클 50회
• 용량 유지율과 초기 효율 모두 압축 강도에 따라 비선형적 변화 확인

 표 3. 압력별 성능 비교

압력 (MPa)초기 효율 (%)50싸이클 후 유지율 (%)

 

50	71.2	86.9
80	73.9	83.1
110	71.5	74.8
140	66.8	62.3

 

압력이 지나치게 높아지면, 구조 손상이 전기화학적 성능 저하로 이어진다.
전극 균일도 저하 및 리튬 이온 통로 차단이 주요 원인이다.

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6. 압력 조건에 따른 응력 분포 시뮬레이션 결과

▸ 유한요소 해석 (FEM) 기반 응력 분석

• 모델: 실리콘 입자 + 바인더 네트워크 구조
• 조건: 동일 하중, 압축 깊이 변화
• 결과: 입자 간 계면에 응력 집중 영역 형성

 표 4. FEM 응력 집중값 (von-Mises, MPa)

압력 (MPa)최대 응력응력 평균응력 표준편차

 

50	17.2	6.4	3.1
80	29.8	11.3	5.6
110	41.5	18.7	8.2
140	54.3	24.9	11.6

 

110 MPa를 초과한 조건에서 계면 응력이 급격히 상승하며,
응력 균일도 역시 나빠져 균열 확산 위험이 커졌다.

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7. 바인더 조성 변화에 따른 완충 효과 실험

• 동일한 압력(110 MPa) 조건에서 바인더만 다르게 적용하여
  미세균열 정도와 싸이클 유지율 비교

 표 5. 바인더 조성별 완충 성능 (110 MPa 조건)

바인더 조성균열 발생 빈도 (개/100μm²)싸이클 유지율 (%)

 

CMC/PAA (2:1)	13.7	74.8
CMC/SBR (2:1)	9.2	80.1
PAA 단일	11.5	77.2

 

탄성 회복 특성이 높은 SBR 조성이 균열 분산에 효과적이었으며,
압축 응력 분산에 유리한 바인더 조성이 성능 유지에 기여함을 확인했다.

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8. 결론 – 고밀도 압축은 최적 압력 범위에서만 효과적이다

본 연구를 통해 다음과 같은 결론을 도출할 수 있다.

1. 실리콘 음극에서 고밀도화를 위한 압축은 일정 수준까지는 전극 밀도 증가에 기여하나,
   110 MPa 이상에서는 구조 손상과 균열 확산이 급격히 증가한다.
2. 전극 균열은 전도 경로 단절, 리튬 이온 이동 저해, SEI 손상 등의 형태로
   전기화학적 성능 저하를 유발하며, 싸이클 수명에도 직접적인 영향을 미친다.
3. FEM 기반 응력 해석을 통해, 압력에 따른 계면 응력 집중 분포를 정량적으로 분석할 수 있었으며,
   균열 억제 설계에 활용 가능한 기준 데이터를 확보하였다.
4. 바인더 조성 역시 균열 억제에 중요한 역할을 하며,
   팽창 복원력이 높은 SBR 계 바인더가 압축 공정과의 상호보완 효과를 낸다.
5. 고밀도 실리콘 음극 설계를 위해서는 압축 압력, 바인더, 입자 구조의 통합 최적화 전략이 필요하다.