기존 리튬 이온 배터리에서 음극재는 그라파이트, 흑연을 사용하는데 리튬 이온이 들어가는 방식은 Intercalation이라하고 삽입하는 형태임.
실리콘 입자가 리튬이 삽입됨에 따라 부피팽창이 일어나는데 이것은 리튬이 점점 많이 들어가기 때문에 생기는 현상임.
흑연(그라파이트)의 경우 탄소 6개와 리튬 1개의 결합으로 375mAh/g의 용량을 가질 수 있음. 실리콘은 원자 하나 당 4.4개의 실리콘을 받아들일 수 있어 최대 4000mAh/g까지 용량을 증가시킬 수 있음.
합금화학의 증가된 용량은 상당한 부피 변화를 동반하게 되고 300%의 부피팽창으로 실리콘 음극은 사이클 동안 균열 및 분쇄를 경험하게 되어 SEI층, 전도성 물질 및 집전체와의 접촉 실패를 초래함.
실리콘은 초기 용량 대비 계속적으로 충방전 동작을 하게 되면 전해액과 끊임없이 반응하여 육불화규산 리튬(Li2SiF6)을 지속적으로 생성하게 됨. – 가용할 수 있는 리튬의 숫자가 줄어들게 되어 급속도로 배터리 용량이 줄어들게 됨.
실리콘 음극재의 문제점 때문에 흑연을 보조하는 용도로 일부 첨가로 사용되고 있음. 흑연 단독 사용 350 정도인데 실리콘 5%를 사용함으로서 용량 증가가 나타남. 이런 방식으로 10%, 15%, 25%씩 증가하게 되면 용량이 450, 500, 610까지, 25% 첨가하게 되면 용량이 2배 정도 증가함.
실리콘의 종류는 산화실리콘, 탄화 실리콘, 순수 실리콘 금속이 있음. 용량을 비교하면 순수 실리콘 금속은 가능성이 낮고 산화실리콘과 탄소복합실리콘이 유력하게 거론되고 있음.
실리콘의 특징인 많은 용량을 함유할 수 있지만, 흑연 대비 이온 전도도가 낮은 문제가 있음. 그런 경우 카본이 함유된 방식과 카본이 함유되지 않은 방식에서 이온 전도도의 차이가 발생하게 됨.
다양한 카본들이 도전재로 결합하게 되는 것임. 가장 좋은 소재는 그래핀이지만, 현재 그래핀은 대량 생산되기 어려운 상황임.
지금은 탄소나노튜브(CNTs)가 이온 전도도를 보완하는 용도로 적용되고 있음. CNT를 수계 용액 슬러리 상태로 만들어 흑연에 혼합하여 음극 슬러리로 만드는 작업이 아직은 난이도가 있는 기술임. 그래서 카본 도전재를 따로 넣는 것이 아니고 탄소 복합물로 만드는 방식으로 기술 방향이 이동하고 있음. 다양한 카본 도전재들이 추가로 개발된다고 한다면 그 방향도 조금 달라질 수 있고 앞으로 전고체로 변화함에 따라 추가로 기술 개선이 되어야할 개발 소재 후보들이 될 것임.
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