03. 리튬전지에서 SEI(Solid Electrolyte Interphase)의 장점, 단점, 생성 원리

안녕하세요. 오늘은 리튬 이차 전지에서  한번쯤은 들어봤지만, 무슨 이야기 인지 몰라서 외면했던 SEI (Solid Electrolyte Interphase)에 대하여 알아보겠습니다.

 

1) SEI의 정의

: SEI 층은 Solid Electrolyte Interphase로 음극 표면에서 발생되는 부동태막을 뜻한다. 이 SEI 층은 배터리 속 전해질과 음극의 표면에서 부반응이 일어나 생기는 피막을 의미한다. 

 

2) SEI의 생성원인

: 전해액 구성 성분이 음극의 낮은 환원전위에 대하여 안정하지 못하고, 전해액이 분해되며 음극의 표면에 리튬이온은 이동이 가능하며 전자는 이동되지 않는 피막을 형성시킨다. 대부분 첫 사이클의 충전 과정 중에서 생성되며 전하를 소모하기 때문에 첫 사이클에서는 충전용량이 방전용량보다 높게 측정된다. 이 차이를 초기 비가역 용량(Initial irreeversible capacity)라고 한다. 

                 초기 비가역 용량 = 초기 사이클에서 SEI 생성 전하 소모로 인한 충전용량과 방전용량의 차이

 

3) SEI의 필요성

:  안정한 SEI가 만들어지지 않으면, 충방전 중에 계속해서 전해액 분해가 발생하여 전하를 소모하며, 저항을 증가시킨다. 이로인해 전지의 수명 및 성능이 감소되는 문제를 초래하기 때문에 안정한 SEI를 생성하는것이 곧 배터리의 수명과 성능에 중요한 영향을 미친다. 안정한 SEI의 형성 여부는 리튬 전지의 수명을 좌우 하기 때문에 최근 전해액 첨가제 사용을 통한 보다 안정한 SEI를 형성시키는 연구가 활발히 진행되고 있다. 

 

4) 안정한 SEI의 조건

- 내부저항이 작아야 함 : 내부저항이 크면 출력이 저하되기 때문이다.

- 기계적 강도 : 기계적 강도가 높아야 한다. 리튬 이온 및 전자의 충방전 과정에서 Intercalation 될 때, 부피 팽창 및 피막의 구조가 붕괴되면 안되기 때문이다.

- 전해액 안정성 : 전해질과의 부반응이 최소화  되어야 한다. 그렇지 않으면 셀 구동시에 지속적으로 전해질과의 부반응으로 불필요한 전해질을 소모하기 때문에 전해액 고갈을 초래할 수 있다. 

 

5) 안정한 SEI를 형성하려면

- 낮은 전압에서 부터 낮은 전류를 사용한 충전과정을 통하여 점차 안정화 시키는 과정을 통해 표면에 안정한 SEI를 형성 시키는 방법이 있다.

- 전해액 첨가제 (Ex. VC, FEC 등) 를 첨가하여 보다 안정한 피막을 형성 시키는 방법이 있다.