Special 차세대 전고체 배터리 최신 기술 개발 동향(2)

고용량 및 장수명 전고체 배터리를 위한 실리콘 음극기술

박현중_조선대학교 신소재공학과 조교수

1. 서론

리튬 이온 전지(Lithium-Ion Battery, LIB)는 다른 이차전지 대비 높은 에너지 밀도, 낮은 자가 방전율, 긴 수명 등으로 인해 지난 수십 년 동안 비약적인 발전을 이루어 왔다. 현재 LIB는 전자 제품, 전기 자동차(Electric Vehicle, EV), 대용량 저장 장치(Energy storage system, ESS) 등 다양한 상업적 응용 분야에서 널리 활용되고 있다. 고밀도 후막 전극 개발을 통해 에너지 밀도가 꾸준히 증가하였으나 현재 이론적 한계에 직면하였으며, 액체 전해질의 누출 및 가연성 등의 문제로 인해 전기자동차 시장의 성장에 걸림돌이 되고 있다. 

최근 이러한 문제를 해결하기 위한 대안으로 고체 전해질(Solid State Electrolytes, ASSE)을 기반으로 한 전고체 전지(All-Solid-State Battery, ASSB)가 제안되었다. 전고체 전지는 리튬 금속 및 실리콘과 같은 고용량 음극재의 적용 가능성으로 인해 기존 LIB의 에너지 밀도 한계를 극복할 수 있을 것으로 예상된다. 특히 이론적 용량이 3,860 mAh/g에 달하고 표준 수소 전극 대비 낮은 전위(3.04 V)를 갖춘 리튬 금속은 가장 유망한 차세대 음극 소재로 평가받고 있다. 그러나 리튬 금속을 음극으로 적용 시 불균일한 계면 접촉, 불안정한 고체-전해질 계면(Solid electrolyte interphase, SEI) 형성, 리튬 수지 성장 등의 문제로 인해 상용화가 지연되고 있다. 이에 따라 리튬이 필요하지 않은 합금형 음극(예: 실리콘, 주석, 알루미늄, 인듐)에 대한 관심이 증가하고 있다. 그중 실리콘(Si) 음극은 4,200 mAh/g의 높은 이론적 용량과 0.3 V(Li+/Li 기준)의 낮은 전위를 갖고 있어 차세대 전고체 전지의 유력한 음극 소재로 간주된다. 리튬과 달리 실리콘은 대부분의 고체 전해질과 열역학적으로 안정하며, 고체 전해질과 혼합하여 전극을 제조함으로써 음극의 내부 이온 전도성을 개선할 수 있는 장점이 있다. 그러나 실리콘 음극은 충전과 방전 시 리튬화 과정에서 300% 이상의 극심한 부피 팽창으로 인해 LIB의 장기적 안정성을 저해하는 문제점이 있다. 이러한 부피 변화는 전극의 기계적 파손과 함께 전자 및 이온 전도 경로를 단절시키며, 장기적으로는 불안정한 SEI 층이 지속적으로 형성되는 문제를 야기한다. 이로 인해 실리콘 기반 리튬 이온 전지는 비가역적 용량 감소, 낮은 쿨롱 효율 등의 문제를 겪는다.

반면 전고체 전지의 경우 고체 전해질과 실리콘의 새로운 계면 상호 작용과 전기화학적 거동을 보이며, 이는 액체 전해질 기반 시스템보다 더 안정적인 특성을 나타낸다. 따라서 기존 액체 전해질 기반 실리콘 음극의 전기화학적 문제를 완화할 수 있으며, 우수한 안정성과 경제성의 확보가 가능하다. 특히, 박막 및 파우치 전지 형태로 다양한 응용 분야(마이크로 배터리, 3C 전자 제품, EV용 파우치 배터리 등)에 적용될 수 있을 것으로 기대된다. 본 논문에서는 실리콘 기반 전고체 전지의 연구 동향을 종합적으로 정리하며, 고용량 및 장수명 전고체 전지의 구현을 위한 전략을 소개한다[1].

그림 1. 실리콘 기반 및 리튬 기반 전고체 전지의 특성 비교 및 적용 분야

그림 2. 다양한 고체 전해질의 특성 비교

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