고체 전해질의 결정구조가 실리콘 음극과의 계면 반응성에 미치는 영향
서론 - 실리콘 음극의 성능은 전해질 결정구조에 의해 결정된다. 전고체 배터리는 높은 에너지 밀도와 우수한 안전성을 동시에 구현할 수 있는 차세대 이차전지로 각광받고 있다. 이 시스템의 핵심 구성요소 중 하나는 전고체 전해질(Solid Electrolyte, SE)이며, 그 결정구조는 전체 셀의 전기화학적 특성, 안정성, 수명에 중대한 영향을 미친다. 특히 고용량 음극재인 실리콘(Si)은 충·방전 시 300~400%에 달하는 부피 팽창을 보이며, 이로 인해 전해질과의 계면에서 화학 반응, 기계적 손상, 계면 저항 증가 등의 복합적 열화가 발생한다. 전해질이 어떤 결정구조를 가지느냐에 따라 실리콘 음극과의 계면에서 나타나는 반응성, 계면 안정성, 이온 확산도, 기계적 적응성 등이 달라진다. 결정구조는 단순..
탄소 복합화를 통한 실리콘 음극재의 전기전도성 향상 메커니즘 정리
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, C..
전고체 배터리 제조 공정에서 실리콘 음극재 적용 시 고려사항
서론 - 소재만큼 중요한 것은 제조 공정이다 전고체 배터리(All-Solid-State Battery, ASSB)는 액체 전해질을 고체 전해질로 대체한 구조로, 고안전성, 장수명, 고에너지 밀도 등 다양한 장점을 보유하고 있다. 특히 실리콘(Si) 기반 음극재는 이론용량이 3,579 mAh/g에 달해 전고체 배터리의 에너지 밀도를 극대화할 수 있는 핵심 소재로 주목받고 있다. 그러나 실리콘은 충전 과정에서 300~400%에 달하는 부피 팽창이 발생하며, 고체 전해질과의 계면 박리, 입자 내 균열, SEI 재형성 실패 등 여러 복합적인 문제가 동반된다. 이러한 실리콘 고유의 특성을 제어하지 못한 채 셀을 제조하면, 초기 성능은 확보될 수 있으나 수명, 계면 안정성, 출력 특성에서 심각한 저하가 발생한다. ..
글로벌 소재 기업들의 실리콘 음극재 기술 개발 동향
서론 - 배터리 경쟁의 본질은 소재 기술이다 전기차 및 에너지 저장장치 시장의 급성장은 리튬이온 배터리 산업의 판도를 뒤흔들고 있다. 현재 전기차의 주행 거리, 충전 시간, 안정성, 수명 등을 결정짓는 핵심 요인은 배터리의 에너지 밀도이며, 이를 좌우하는 요소는 양극재보다도 음극재 기술의 진화 속도에 달려 있다. 전통적으로 사용되어 온 흑연(Graphite)은 싸이클 안정성과 가격에서 장점을 가지나, 이론용량이 372 mAh/g로 한계가 명확하다. 반면, 실리콘(Si)은 3,579 mAh/g라는 매우 높은 이론용량을 갖고 있으며, 차세대 음극재의 유력한 대안으로 전 세계 배터리 및 소재 기업들이 앞다퉈 기술 개발에 투자하고 있다. 실리콘 음극재는 단순한 소재 전환이 아닌, 제조 공정, 셀 설계, 계면 안..
