리튬이온배터리 화성공정(Formation)과 SEI(Solid Electrolyte Interphase)의 중요성
화성공정(Formation)은 배터리의 성능을 좌우하는 중요한 공정 중 하나이다. 따라서 배터리 회사들의 화성공정의 공정 조건은 대외비로 알려져 있다. 이번 포스팅에서는 화성공정의 중요한 이유와 이와 관련된 SEI에 대해 설명하고자 한다.
1. 화성공정(Formaiton)
화성공정은 조립된 셀에 처음으로 충전과 방전을 시켜주는 공정을 의미한다. 즉 양극, 음극, 분리막 stack이 완성되고 전해액을 주입한 뒤에 진행되는 공정이다. 배터리에 전류를 인가하여 충전시키면 음극인 흑연(Graphite) 표면에 SEI(Solid Electrolyte Interphase)라는 표면을 보호하는 보호막이 생기게 된다. 이 보호막은 어떤 역할을 할까?
2. SEI(Solid Electrolyte Interphase)
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| 충전-방전과정에서 SEI (출처 : npj Computational Materials 4, Article number: 15 (2018)) |
SEI는 배터리 충전과정 중에 전해액의 분해 반응으로 인해 생성되는 부동태막이다. 부동태 막으로서 배터리 내부 전해액의 분해를 억제시키고 리튬이온만 선택적으로 음극에 Intercalation(삽입), Deintercalation(탈리)시키는 통로 역할을 한다. 불균일하고 불안정한 막이 형성될 경우 전극구조가 불안정해지고 악영향을 초래할 수 있다. 따라서 균일하고 견고한 SEI가 형성되어야 높은 에너지 밀도를 갖고 장수명 성능을 갖는 배터리를 제조할 수 있다.
2.1 형성과정
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| HOMO-LUMO 에너지준위 (출처 : S.J. An et al. / Carbon 105 (2016) 52-76) |
배터리를 충전시키면 상대적 준위가 높은 양극에서는 산화반응, 준위가 낮은 음극에서는 환원반응이 일어난다. 음극 표면에 접촉해있는 전해액은 음극보다 상대적으로 LUMO 에너지가 낮기 때문에 환원되기 쉽다. 따라서 전해액을 구성하는 물질 중 Ethylene carbonate, Diethylene carbonate 와 같은 물질에 전자를 얻는 반응인 환원반응이 일어나게 되고, 이로 인해 리튬염인 LiPF6와도 2차 연쇄반응을 통해 여러 부반응이 일어나게 된다.
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| 흑연 SEI Layer 형성 과정 (출처 : Chemical Reviews, 2004, Vol. 104, No. 10) |
위 그림과 같이 전해액의 분해반응에 의해 여러 부반응이 일어나게되면서, 음극표면에는 Li2CO3, LiF, Li2O와 같은 무기물이형성되고 표면에서 멀어질수록 유기물로 구성된 SEI Layer가 만들어진다. 이렇게 생겨난 막은 전기를 차단하는 부동태 성질을 갖는다. 이 부동태 막은 양극과 음극에 전기가 통할 시 발생하는 배터리 쇼트문제를 방지해주기 때문에 안전성에도 기여하는 역할을 한다.
화성공정에서 일어나는 부동태 막의 생성 메커니즘은 배터리가 연구되기 시작한 이래로 아직까지 명확하게 밝혀지진 않았다. 밝혀지지 않은 부반응이 매우 많고 복잡하기 때문이다. 이러한 문제들이 하루 빨리 해결되어 좀 더 안정한 막을 형성할 수 있길 바란다.