이차전지 : 실리콘 음극재

이전 글에서 음극재에 대해 살펴보았는데요. 이차전지 음극재 소재가 흑연에서 실리콘으로 변화하는 가운데 이번 글에서는 실리콘 음극재에 대해 살펴보기로 하겠습니다.

 

실리콘 음극재란 무엇일까요?

실리콘 음극재는 실리콘을 음극활물질로 사용하는 것을 뜻합니다. 실리콘 음극재는 기존 흑연계 음극재보다 에너지밀도가 약 4배 높고, 배터리 충전 시간은 절반으로 줄일 수 있다는 장점을 가지고 있습니다. 실리콘 음극재는 전기차 주행거리를 크게 늘릴 수 있어서 차세대 배터리 핵심소재로 각광받고 있습니다.

실리콘 음극재의 원리는 어떻게 될까요?

실리콘 음극재는 충전 시 리튬이온을 많이 받아들이는 통로로 작용합니다. 즉, 실리콘은 리튬과 결합하여 리튬실리사이드(LiSi)를 형성하면서 부피가 커지고, 방전 시 다시 리튬이 분리되면서 부피가 작아집니다. 이러한 부피 변화는 음극의 구조적 안정성과 수명에 영향을 미칩니다5.

 

실리콘 음극재의 문제점은 무엇일까요?

실리콘 음극재의 가장 큰 문제점은 부피 팽창입니다. 실리콘은 리튬과 결합할 때 기존 부피의 4배 이상으로 팽창하며, 이로 인해 음극의 결정이 깨지거나, 전해질과의 접점이 단절되거나, 전해질과 반응하여 안정성이 저하됩니다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 재료업체들은 다양한 방법을 연구하고 있습니다.

 

실리콘 음극재의 개선 방법은 어떤 것들이 있을까요?

실리콘 음극재의 개선 방법으로는 크게 2가지가 있습니다. 첫째는 나노 크기의 실리콘을 산화물(Oxide)로 감싸는 방법입니다. 이 방법은 산화물이 리튬과 반응하여 기계적 강도가 우수한 산화물을 형성하므로 구조적 붕괴를 방지할 수 있습니다. 대주전자재료, 히타치, 신에츠 등이 이 방법을 사용하고 있습니다. 둘째는 나노 크기의 실리콘을 탄소(Carbon)으로 감싸는 방법입니다. 이 방법은 탄소가 부피 팽창을 완화시키고 도전성을 향상시킬 수 있습니다. 한솔케미칼, BTR, 나노신소재 등이 이 방법을 사용하고 있습니다.

 

실리콘 음극재의 시장 전망은 어떻게 될까요?

실리콘 음극재의 시장 전망은 매우 밝습니다. SNE리서치에 따르면 실리콘 음극재 시장은 2020년 약 155억 원 규모에서 2025년 약 5조 6천억 원 규모로 가파르게 성장할 전망입니다. 이는 전기차 시장의 급성장과 함께 에너지밀도와 충전속도를 높이기 위한 수요 증가에 기인합니다. 현재는 LG화학, 포르쉐, 테슬라 등의 하이엔드 사양의 차량에만 적용되고 있으나 향후에는 많은 차량에 적용될 것으로 예상됩니다.

 

실리콘 음극재에 대해 간단히 알아보았습니다. 실리콘 음극재는 2차전지의 성능과 안전성을 혁신적으로 향상시킬 수 있는 차세대 소재로 다양한 연구와 개발이 진행되고 있습니다. 실리콘 음극재에 대해 더 궁금하신 점이 있으시면 댓글로 남겨주세요. 감사합니다.

 

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