배터리의 충전 속도와 수명을 좌우하는 음극재. 배터리 업계에서는 음극재가 배터리 충·방전 성능에 직접적으로 영향을 끼치기 때문에 다양한 소재들의 특성과 최신 연구 동향을 바탕으로 개발에 힘쓰고 있습니다.
그 중 에너지 밀도를 높일 수 있는 ‘실리콘’ 음극재를 활발히 연구하고 있는데요. 특히 실리콘을 다른 소재와 결합하는 방향으로 개발 중입니다. 이번시간에는 인포그래픽을 통해 실리콘 음극재 중 실리콘 산화물, 실리콘 탄소 복합체에 대해 하나씩 살펴보겠습니다.
높은 이론용량으로 에너지 밀도를 확보하는 ‘실리콘 음극재’
실리콘 음극재는 고용량∙고성능 배터리에 대한 니즈가 생기면서 더욱 주목받는 소재입니다. 음극재로 자주 쓰이는 흑연은 탄소 6개당 리튬이온 1개를 저장하지만, 실리콘 음극재는 원자 1개당 리튬이온 4.4개를 저장할 수 있습니다. 이처럼 실리콘 음극재가 흑연 음극재보다 이론 용량이 약 4~10배 높은데요. 이 같은 특징을 활용해 에너지 밀도를 향상시킬 수 있습니다. 또한 실리콘은 자원량이 많아 경제적이고, 친환경적인 소재라는 장점도 있죠.
에너지 밀도를 극대화할 수 있는 실리콘 음극재는 차세대 음극재로 불릴 만큼 강점이 있지만, 충·방전 중 부피가 변화할 수 있습니다. 충전 시, 실리콘이 리튬이온을 받아들이면서 부피가 팽창되고, 방전 시에 리튬이온이 다시 빠져나가면서 부피가 다시 줄어들게 되는데요. 결국 이러한 부피 변화가 반복적으로 일어나면 배터리 성능에도 영향을 줄 수 있습니다.
때문에 배터리 업계에서는 실리콘 음극재의 특성을 보완하기 위해 다양한 연구를 진행하고 있으며, 그 중 실리콘 내부 소재를 다르게 조합해 음극재에 적용시키는 방식이 개발되고 있습니다.
부피 팽창 현상을 감소시키는 실리콘 산화물(SiOx)
실리콘 음극재는 내부 소재에 따라 ‘실리콘 산화물(SiOx)’, ‘실리콘 탄소 복합체(Si-C)’ 등으로 나뉩니다. 실리콘 산화물은 실리콘과 산소를 결합한 소재이며, 실리콘 입자에 산화물계 실리콘을 합성하는 방향으로 제조됩니다.
먼저 ‘실리콘 산화물’을 활용하면 부피 팽창 현상을 완화시킬 수 있습니다. 특히 실리콘 산화물은 실리콘 탄소 복합체에 비해 입자 크기가 10배 이상 작아 실리콘 부피 팽창 현상을 억제하는데 유리하죠. 또 충·방전 과정 중 생성되는 산화물이 부피 변화의 완충재 역할을 수행하므로 전극 내부의 스트레스를 줄여줍니다. 실리콘 산화물이 실리콘 탄소 복합체 대비 상대적으로 초기 용량이 높다는 장점도 있습니다.
한편 실리콘 산화물은 다른 실리콘 소재에 비해 가공 난이도가 높아, 단가가 높습니다. 제조 시 기상증착과 같은 높은 난이도의 기술이 필요하기 때문입니다. 또한 산소가 리튬이온에 결합하여 이동성을 저하시켜 충·방전 효율 낮아지는 현상도 개선해야 할 과제입니다.
충·방전 효율과 전기 전도도를 향상시킬 수 있는 실리콘 탄소 복합체(Si-C)
실리콘 산화물과 함께 주목받고 있는 실리콘 음극재 소재는 ‘실리콘 탄소 복합체’입니다. 실리콘 탄소 복합체는 실리콘에 탄소가 결합된 소재입니다. 이를 통해 실리콘 탄소 복합체는 실리콘의 높은 용량 특성과 탄소(흑연)의 안정적인 충·방전 성능이 동시에 발현되는 강점이 있으며, 실리콘 기반 음극재 중 상대적으로 연구 및 가공 난이도가 낮고 초기 충·방전 효율(ICE)이 높은 경향이 있습니다.
다만, 실리콘 산화물에 비해 상대적으로 수명이 짧은 편이므로, 이를 개선하기 위한 연구가 필요합니다.
다양한 방면에서 실리콘 음극재 연구를 이끌어 가는 LG에너지솔루션
LG에너지솔루션은 실리콘 음극재 연구개발에 굵직한 성과를 내고 있습니다. 2019년 실리콘 5%의 음극재를 세계 최초로 순수 전기차에 적용했습니다. 2021년에는 미국 샌디에이고 대학교(UCSD)의 공동 연구팀과 함께 전고체배터리 음극에 5㎛ (마이크로미터) 내외의 입자 크기를 가진 ‘마이크로 실리콘 음극재’를 적용한 ‘장수명 전고체배터리’를 개발했습니다.
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그리고 최근, 실리콘 음극재의 성능을 높일 수 있는 기술 개발에도 성공했는데요. 2024년 12월, 연세대학교 공동 연구팀과 함께 무기물 기반의 고강도 분리막을 설계하는 방안을 통해 충·방전 중 부피 팽창을 동반하는 실리콘 음극재의 문제를 개선했습니다. 그 결과 해당 기술이 적용된 배터리 고속 충·방전을 400회 진행한 후에도 88% 이상의 우수한 용량 유지율을 보였습니다.
충전 속도와 안전성이 배터리 성능의 핵심으로 주목받고 있는데요. LG에너지솔루션은 이와 관련해 다양한 기술 개발과 소재 발굴을 통한 혁신을 이어가고 있습니다. 앞으로도 LG에너지솔루션의 끊임없는 도전을 지켜봐 주세요!