실리콘이차전지

실리콘 이차전지용 바인더 조성 변화에 따른 초기효율 영향 분석

infobox019545 2025. 7. 27. 06:00

1. 서론 – 실리콘 음극재의 고용량, 그 이면의 과제

이차전지 산업의 차세대 기술 중 하나로 실리콘 음극재가 주목받고 있다.
흑연보다 이론 용량이 약 10배 높은 실리콘은
전기차, 에너지 저장 시스템(ESS), 고출력 휴대기기 등 다양한 응용 분야에서 이상적인 소재로 간주된다.

하지만 실리콘은 충·방전 과정에서 300% 이상 팽창하기 때문에,
계면 탈착, 구조 붕괴, SEI(고체전해질 계면막) 재형성, 전극 분해 등 다양한 물리·화학적 문제를 야기한다.
이러한 팽창 문제는 전극 내부의 전기적 연결을 파괴하며, 결과적으로 초기 효율(Initial Coulombic Efficiency, ICE) 저하로 이어진다.

 

초기 효율은 첫 번째 충전 시 저장된 리튬 이온 대비 방전 시 회수된 리튬 이온의 비율로,
배터리의 안정성과 싸이클 수명에 직접적인 영향을 미친다.

이 문제를 해결하기 위한 방법 중 하나가 바로 바인더 조성의 최적화이다.
본 글에서는 실리콘 음극 전극 제조 시 사용되는 바인더의 조성 변화가
초기 효율에 어떤 영향을 미치는지 실제 실험 데이터를 기반으로 심층 분석하였다.

2. 바인더의 역할과 종류

바인더(Binder)는 전극 슬러리 내에서 활물질, 전도재, 집전체 간 기계적 결합을 유지하고,
충·방전 중 구조적 안정성을 확보하는 필수 소재다.
실리콘의 경우, 팽창에 의한 기계적 응력과 SEI 재형성으로 인해
전통적 PVDF 바인더의 한계가 명확히 드러나기 시작했다.

▸ 주요 바인더 유형

바인더 종류계열특징

 

PVDF 불소계 흑연 기반 전극에 적합, 실리콘과 부적합
CMC 수용성 셀룰로오스 기계적 강도 우수, 실리콘과 중간 적합
PAA 고분자산계 실리콘 표면 접착력 우수, 높은 점도
CMC/SBR 혼합계 탄성 회복력 향상, 산업적 활용 용이
CMC/PAA 복합계 고강도 + 접착력 조화, 연구 단계 활성화
 

 

실리콘 이차전지에서는 CMC, PAA, SBR, PEG계 바인더의 복합 조성 설계가
초기 효율과 싸이클 수명 모두에서 중요한 설계 포인트로 작용한다.

바인더 조성 변화에 따른 초기효율 영향

3. 실험 조건 및 구성

이번 실험은 다양한 바인더 조성의 실리콘 음극 전극을 제조하고,
초기 효율을 측정하여 성능을 비교하는 방식으로 수행되었다.

▸ 공정 개요

  • 실리콘: 나노 입자 (80~120 nm)
  • 전도재: Super-P carbon
  • 바인더: 조성 별 5종 (아래 표 참고)
  • 슬러리: DIW 기반, 3-roll 밀 혼합
  • 전극 도포: 80 μm 두께, Cu foil
  • 건조 조건: 120°C, 6시간
  • 조립 셀: CR2032 코인셀
  • 전해질: 1M LiPF₆ in EC/DEC (1:1), FEC 5wt% 첨가

 표 1. 바인더 조성별 실험 샘플 구성

샘플 코드바인더 조성실리콘 wt%바인더 wt%총 활물질 함량 (%)

 

A PVDF (기준) 60 10 95
B CMC/SBR (2:1) 60 10 95
C CMC/PAA (1:1) 60 10 95
D PAA 단일 60 10 95
E CMC/PAA/SBR (2:1:1) 60 10 95
 

4. 초기 효율 측정 결과

각 조성에 대해 동일한 셀 조립과 조건에서 초기 충·방전을 실시하였고,
초기 효율(ICE)은 1st discharge capacity / 1st charge capacity × 100 (%)로 산출되었다.

 표 2. 바인더 조성별 초기 효율 측정 결과

샘플 코드초기 충전 용량 (mAh/g)초기 방전 용량 (mAh/g)초기 효율 (ICE, %)

 

A (PVDF) 2650 1553 58.6
B 2562 1684 65.7
C 2448 1691 69.1
D 2390 1725 72.2
E 2376 1768 74.4
 

복합 바인더(E)는 단일 바인더 대비 최대 15.8%p 높은 초기 효율을 기록하였다.

5. 분석 – 조성 변화가 초기 효율에 미치는 영향

▸ PVDF의 한계

  • 리튬과의 반응성이 낮고 SEI 재형성을 유도
  • 실리콘 표면 접착력 부족 → 분리 현상 유발
  • 기계적 응력에 약해 반복 충·방전 중 크랙 발생

▸ 복합 바인더 조성의 장점

  • PAA: 실리콘 산화물 표면과 수소 결합 형성
  • CMC: 균일한 필름 형성과 SEI 안정화
  • SBR: 팽창 복원력 보강, Crack 완화
    → 조성 간 상호작용이 초기 SEI 형성 억제에 기여

표 3. 바인더별 기계적/화학적 특성 비교

조성인장 강도탄성률접착력팽창 억제성

 

PVDF 중 낮음 낮음 매우 낮음
CMC 중 중 중 낮음
PAA 높음 낮음 높음 중
CMC/PAA/SBR 중~높음 높음 매우 높음 높음
 

6. 결론 – 바인더 최적화가 초기 효율의 핵심 변수

본 실험 결과는 다음과 같은 결론을 도출한다:

  1. 실리콘 이차전지에서 초기 효율은 단순히 활물질의 용량 문제가 아니다.
    바인더의 조성과 계면 안정화 특성이 결정적인 변수로 작용한다.
  2. PVDF 단일 조성은 실리콘 음극재와의 화학적 비호환성으로 인해
    SEI 재형성과 리튬 소모를 증가시켜 초기 효율 저하를 유도한다.
  3. 반면, CMC/PAA/SBR 혼합 바인더는 실리콘 표면 안정화, 기계적 응력 분산,
    전도성 유지에 효과적이며, 초기 효율을 74.4%까지 향상시킬 수 있다.
  4. 이는 실리콘 이차전지의 상용화 관점에서 매우 유의미한 개선이며,
    싸이클 수명 향상에도 긍정적인 영향을 줄 것으로 기대된다.
  5. 앞으로는 바인더 조성뿐 아니라 슬러리 유변학적 특성, 도포 공정 최적화까지 연계된
    통합적인 접근이 요구된다.