유승호 교수, 상온에서 발생하는 실리콘계 음극 열화 메커니즘 규명
고려대학교(총장 김동원) 화공생명공학과 유승호 교수 연구팀이 중앙대학교 문장혁 교수 연구팀과 함께 상온 구동 조건에서 리튬이온전지의 실리콘계 음극에서 발생하는 갑작스러운 성능 저하의 원인을 규명했다.
본 연구 성과는 에너지 소재 분야의 국제 학술지 Advanced Energy Materials (IF=26.0) 온라인판에 9월 3일 게재됐다.
논문명 : Origins of Abrupt Capacity Degradation in Lithium-Ion Batteries with Silicon-Based Anodes
DOI : 10.1002/aenm.202502143
URL : https://doi.org/10.1002/aenm.202502143
최근 전기차 시장의 확대로 더 높은 성능의 리튬이온전지에 대한 수요가 커지면서, 기존 흑연을 대체할 차세대 음극 소재 연구가 활발히 진행되고 있다. 그중 실리콘 산화물(SiO)은 높은 용량과 부피 팽창 완화 효과로 주목받고 있으나, 장기간 사용 시 안정성이 낮다는 한계가 있다.
연구팀은 장기 구동 실험을 통해 상온(25℃)에서 빠른 속도로 충·방전을 반복할 경우 흑연/SiO 음극에서 갑작스러운 용량 저하가 발생한다는 사실을 밝혀냈다. 반면 고온(50℃)이나 느린 충·방전 조건에서는 이러한 문제가 나타나지 않았다. 연구팀은 그 원인이 리튬 농도 차이에서 비롯된 확산 유도 응력(diffusion-induced stress)에 있음을 확인했다. 상온에서는 리튬 확산이 느려 입자 내부와 표면 사이의 농도 차이가 커지고, 그 결과 입자 표면에 균열이 발생한다. 이러한 균열은 전해질 분해를 촉진해 리튬 이동을 방해하는 두꺼운 계면막을 형성하고, 이 과정이 반복되면서 전지 성능이 빠르게 저하된다. 결국 실리콘 산화물은 ‘SiO-SEI 크러스트’라 불리는 두꺼운 비활성층을 형성하며 전기화학적 기능을 상실하게 된다.
아울러 연구팀은 충·방전 사이에 잠시 쉬는 이완 단계(relaxation step)를 도입할 경우 리튬 농도 차이가 완화돼 급격한 용량 저하를 억제할 수 있음을 입증했다. 이는 확산 유도 응력이 실리콘 음극 성능 저하의 핵심 원인임을 보여주는 결과다.유승호 교수는 “이번 연구는 실리콘 음극의 열화 과정을 근본적으로 규명해 장수명 고에너지 전지를 설계하는 데 중요한 단서를 제공한다”며 “향후 실리콘 기반 리튬이온전지의 상용화에 크게 기여할 것으로 기대된다”고 말했다.
본 연구 성과는 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 원천기술국제협력개발사업(이차전지 국제공동연구) 및 LG에너지솔루션의 지원을 받아 수행됐다.
Professor Seung Ho Yu Identifies the Degradation Mechanism of Silicon-Based Anodes under Room-Temperature Operation
A research team led by Professor Seung Ho Yu in the Department of Chemical and Biological Engineering at Korea University (President Kim Dong-One), in collaboration with Professor Janghyuk Moon’s team at Chung-Ang University, has identified the cause of abrupt performance degradation in silicon-based anodes of lithium-ion batteries under room-temperature operating conditions.
The findings were published online on September 3 in Advanced Energy Materials (IF=26.0), an international journal in the field of energy materials.
Title: Origins of Abrupt Capacity Degradation in Lithium-Ion Batteriesgradation in Lithium-Ion Batteries with Silicon-Based Anodes
DOI: 10.1002/aenm.202502143
URL: https://doi.org/10.1002/aenm.202502143
As demand grows for higher-performance lithium-ion batteries driven by the expansion of the electric vehicle market, active research is underway on next-generation anode materials that can replace conventional graphite. Among them, silicon oxide (SiO) has attracted considerable attention owing to its high capacity and ability to mitigate volume expansion. However, its limited long-term stability remains a major challenge. Through long-term cycling experiments, the research team found that abrupt capacity degradation occurs in graphite/SiO anodes when charge and discharge are repeatedly performed at high rates under room-temperature conditions (25°C). In contrast, this phenomenon was not observed under high-temperature conditions (50°C) or at slower charge–discharge rates.
The team identified the root cause as diffusion-induced stress, originating from lithium concentration gradients. At room temperature, lithium diffusion is relatively slow, which increases the concentration difference between the particle surface and interior, ultimately leading to crack formation on the particle surface. These cracks accelerate electrolyte decomposition and promote the formation of a thick interfacial layer that hinders lithium transport. As this process repeats, battery performance rapidly deteriorates. Eventually, the silicon oxide forms a thick inactive layer referred to as an “SiO-SEI crust,” resulting in the loss of electrochemical functionality.
The researchers further demonstrated that introducing a relaxation step between charge and discharge can alleviate lithium concentration gradients and suppress abrupt capacity degradation. This result provides clear evidence that diffusion-induced stress is a key origin of silicon anode degradation. Professor Seung Ho Yu stated, “This study fundamentally reveals the degradation process of silicon anodes and provides an important clue for designing long-life, high-energy batteries,” adding, “We expect these findings to contribute significantly to the commercialization of silicon-based lithium-ion batteries.”
This work was supported by the Ministry of Science and ICT and the National Research Foundation of Korea through the Fundamental Technology International Cooperation Development Program (International Joint Research on Secondary Batteries), as well as by LG Energy Solution.
