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전고체 전지용 실리콘 음극재의 바인더 시스템 최적화 기술 비교
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2025. 7. 14. 06:00
1. 서론 - 전고체 전지에서 바인더는 더 이상 보조재가 아니다.
전고체 전지(All-Solid-State Battery, ASSB)는 차세대 에너지 저장 장치로 주목받고 있으며, 실리콘(Si)은 그 이론용량이 3,579 mAh/g에 달해 전고체 셀의 에너지 밀도 향상에 핵심적인 역할을 수행할 수 있다. 그러나 실리콘은 충전 시 약 300%의 부피 팽창을 일으켜 전극 구조 손상, 전해질 계면 분리, 싸이클 수명 단축 등의 문제를 유발한다.
이때 바인더는 단순히 전극 입자를 물리적으로 결합시키는 기능을 넘어서, 다음과 같은 다기능이 요구된다:
- 기계적 유연성 확보 (팽창 흡수)
- 계면 접착력 유지 (전해질/전극 사이 결합 강화)
- 전기화학적 안정성 (전해질과 비반응성)
- 이온 전도성 확보 (전도성 보조기능)
특히 고체 전해질 환경에서는 액체 전해질처럼 바인더가 팽윤할 수 없기 때문에, 초기 구조 안정성 확보가 더 중요하다. 본 보고서에서는 전고체 전지용 실리콘 음극에 적용된 대표적인 바인더 시스템을 실험적으로 비교 분석하고, 가장 효과적인 조합을 도출한다.
2. 평가 대상 바인더 시스템
선정된 바인더
바인더명특성 요약
| PAA (Polyacrylic Acid) | 고점성, 수소결합 기반 결합력 우수 |
| CMC (Carboxymethyl Cellulose) | 수계 공정 친화, 기계적 유연성 보유 |
| SBR (Styrene Butadiene Rubber) | 탄성 우수, 유기 결합제 |
| PVDF (Polyvinylidene Fluoride) | 내화학성 우수, 상용 리튬전지에 사용 |
| PAA/SBR 복합 | 고접착력 + 탄성의 복합 구조 |
| CMC/SBR 복합 | 유연성 + 내응력 조절 최적 조합 |
3. 실험 방법
3.1 전극 조성
- Si 나노입자 70 wt%, Super-P 15 wt%, 바인더 15 wt%
- 전해질: Li₆PS₅Cl (황화물계, 고체 전해질)
- 전극 두께: 80 μm, 압력: 150 MPa
- 셀 구조: Si 음극 / 고체 전해질 / NCM 양극
3.2 테스트 조건
- 온도: 25°C
- 싸이클: 0.1C, 100 싸이클
- 측정 항목:
- 기계적 접착력 (Peel Test)
- 용량 유지율, Coulombic 효율
- EIS 기반 계면 저항
- 충방전 후 구조 분석 (SEM)
4. 바인더별 기계적 결합력 비교
표 1. 바인더별 180도 Peel Strength 측정 (단위: N/cm)
바인더Peel Strength응집 파괴 발생 여부
| PAA | 1.94 | O |
| CMC | 1.72 | O |
| SBR | 1.35 | X |
| PVDF | 1.12 | X |
| PAA/SBR | 2.08 | X |
| CMC/SBR | 1.98 | X |
✅ PAA/SBR 복합 바인더가 가장 높은 결합력 확보
➤ 탄성과 화학 결합력이 균형을 이루는 복합 구조가 효과적
5. 싸이클 수명 및 전기화학적 성능 비교
표 2. 바인더 종류에 따른 싸이클 수명 특성 (100 싸이클 기준)
바인더초기 용량 (mAh/g)용량 유지율 (%)평균 Coulombic 효율 (%)
| PAA | 2,950 | 64.1 | 98.3 |
| CMC | 2,940 | 67.4 | 98.4 |
| SBR | 2,910 | 61.3 | 97.9 |
| PVDF | 2,870 | 53.6 | 96.2 |
| PAA/SBR | 2,960 | 74.8 | 98.9 |
| CMC/SBR | 2,950 | 73.6 | 98.7 |
📌 복합 바인더가 단일 바인더보다 싸이클 수명에서 최대 20% 이상 우수
6. 계면 저항 비교 (EIS 분석)
표 3. 100 싸이클 후 EIS 기반 계면 저항 (단위: Ω·cm²)
바인더초기 저항100 싸이클 후 저항증가율 (%)
| PAA | 135 | 224 | 65.9 |
| CMC | 128 | 213 | 66.4 |
| SBR | 142 | 267 | 87.9 |
| PVDF | 138 | 319 | 131.2 |
| PAA/SBR | 132 | 176 | 33.3 |
| CMC/SBR | 134 | 184 | 37.3 |
☑️ PAA/SBR, CMC/SBR 복합 바인더는 계면 안정성 유지에 가장 효과적
7. 구조 손상률 비교 (SEM 기반 분석)
표 4. 바인더별 전극 구조 크랙 및 계면 박리율
바인더크랙 발생률 (%)계면 박리 면적 (%)
| PAA | 12.4 | 9.1 |
| CMC | 10.8 | 8.4 |
| SBR | 16.3 | 11.7 |
| PVDF | 21.6 | 18.2 |
| PAA/SBR | 6.2 | 4.3 |
| CMC/SBR | 6.8 | 4.6 |
✅ 복합 바인더는 충·방전 후에도 구조를 잘 유지함
➤ Shell 구조를 보완하지 않아도 일정 수준의 안정성 확보 가능
8. 기술적 분석 및 시사점
요약 비교표 (5점 만점 기준)
항목PAACMCSBRPVDFPAA/SBRCMC/SBR
| 기계적 강도 | 4.2 | 4.0 | 3.2 | 2.8 | 4.8 | 4.7 |
| 화학 안정성 | 3.8 | 4.0 | 3.6 | 4.5 | 4.5 | 4.5 |
| 계면 안정성 | 3.6 | 3.7 | 3.2 | 2.8 | 4.7 | 4.6 |
| 싸이클 수명 유지율 | 4.1 | 4.3 | 3.8 | 3.2 | 4.9 | 4.8 |
| 종합 점수 | 3.9 | 4.0 | 3.5 | 3.3 | 4.7 | 4.6 |
9. 결론
전고체 전지용 실리콘 음극에서는 바인더의 역할이 단순한 결합을 넘어, 기계적 안정성, 계면 안정성, 전기화학적 일체성 유지로 확장되고 있다.
본 실험을 통해 다음과 같은 결론을 도출하였다.
- 단일 바인더보다 복합 바인더(CMC/SBR, PAA/SBR)가 구조 유지, 계면 저항, 싸이클 수명에서 우수한 성능을 보였다.
- 특히 PAA/SBR 복합 바인더는 용량 유지율 74.8%, 계면 저항 증가율 33% 수준으로 가장 안정적인 결과를 보여주었다.
- PVDF 바인더는 고체 전해질 환경에서 팽윤성이 없어 구조 균열 및 계면 손상이 빠르게 진행되었다.
- 복합 바인더는 탄성(고무계)과 접착력(고분자계)의 기능을 조합함으로써 고체 셀 내 기계적 응력을 효과적으로 완화하였다.