리튬이온전지 - 양극재

 

양극재

리튬이온배터리는 왜 '리튬'이온 배터리라고 할까요?

바로 "리튬이온"이 이동하여 전기를 만들기 때문입니다.

 

그리고 이동하는 리튬이 들어가는 공간이 바로 양극재 입니다. 

흔히들 리튬이온 Li+가 사는 집으로 많이 비유 합니다.

고등학교 시간에 배웠던 내용을 잠시 떠올려 봅시다.

 리튬은 전자를 잃고 양이온이 되려는 경향이 강해서

양극 소재로 아주 적합합니다.

단지 리튬은 원소 상태로 있기엔 불안정해서 

리튬과 산소를 결합한 리튬 산화물 형태로 양극에 사용 됩니다.
정확하게는 '양극 활물질'에 사용되지요.

 

 

양극 활물질(Active Material)이 무엇일까요?

양극은 얇은 알루미늄 (쿠킹호일처럼 생겼습니다)과 활물질, 도전재, 바인더로 구성됩니다.
여기서 사용되는 활물질은 위에서 이야기한 리튬 산화물입니다.
양극재에 있으면 양극활물질, 음극재에 있으면 음극활물질에 되는 것이지요.
양극재와 음극재에서 화학적으로 반응을 해서 전기 에너지를 만들어냅니다.
'양극 활물질'은 리튬 이온을 가지고 있다가 

우리가 배터리를 충전할 때, 리튬이온을 음극으로 주는 역할을 합니다. 

도전재는 이 활물질에 소량 넣어서 전도성을 높이는 역할을 하고,
바인더는 나머지 친구들이 서로 잘 붙을 수 있는 본드 역할을 합니다.
이 네 친구들이 모여서 양극을 이루게 되지요.


다시 양극재로 돌아와서 계속 이야기 해보겠습니다.

 

지금부터는 양극재는 

양극재의 핵심인 '양극활물질'과 동일하게 이해하면 될 것 같습니다.

뉴스에서 우리나라가 양극재의 강국이라고 하지요.
배터리의 특성에 대해 이야기 하면

항상 언급되는 것 중 하나는 '용량'과 '출력'입니다.
이런 '용량'과 '출력' 특성을 결정하는 소재가 바로 양극재이지요.

조금 풀어서 이야기 하면 '용량과 전압'과 밀접하게 관련되어 있습니다.
출력은 곧 전압과 관련이 되니까요. 

출력을 계산하기 위해서 전압이 필요한데, 
양극재는 전압과 관련이 있습니다.

(물론 음극재도 마찬가지로 중요하지만, 

가장 상용화되어 사용되는 음극재가 정해져 있어서
지금은 양극재가 전압, 출력에 더 영향을 많이 준다고 할 수 있지요. 

다음에 따로 다뤄보도록 하겠습니다.)



양극재 안에 리튬의 비중이 높으면 높을수록 배터리 용량이 커집니다.
배터리 전압은 양극과 음극의 전위차에 의해 결정이 되는데,
양극재의 구조에 따라 달라지는 전위 값이 전압에 큰 영향을 줍니다.
(배터리 전압과 양극재의 구조은 별도로 다뤄 보겠습니다)

최근에 자주 접하는 양극재에는 주로 삼원계 양극재가 있습니다.
NCA, NCMA...
삼원계는 세 가지로 이루어진 양극재라고 뜻입니다.

 

여기서 놓치면 안 되는 사실은!
NCA. NCMA 라고해도 리튬은 항상 함께 있다는 사실입니다.
그리고 위에서 말했듯이 

불안정한 리튬은 항상 산화물로 존재하니 산소도 함께 있지요.

삼원계 외에도 여러 양극 활물질들이 있습니다.
LCO (LiCoO2, 리튬 코발트산화물),
LMO (LiMn2O2, 리튬 망간산화물)
LFP (LiFePo4, 리튬 인산철)
NCM (Li[NixMnyCoz]O2, 삼원계)
NCA (Li[NixMnxCoz]O2, 니켈계)

주로 이렇게 다섯 가지 양극화물질들이 서로 비교되며 이야기 되고 있습니다.
자동차 측면에서 보면 많은 소비자들은 

NCM 삼원계 배터리를 쓰는 자동차는 고급차량, 좋은 차량,
그리고 LFP 배터리를 쓰면 저렴한 차량이라고 알고 계시는데
어떤 측면을 비교하냐에 따라 맞다, 틀리다 라고 말할 수 있겠습니다.

테슬라도, 현대차, GM 등등 글로벌 기업들도 LFP를 쓰고 있고, 쓸 계획이니
LFP에 대한 편견도 많이 없어지고 있는 것 같습니다.
사실 NCM 삼원계와 LFP와 비교하면 원가는 NCM이 비쌉니다.
장단점이 있어서...무엇이 좋다 안 좋다 라고 콕 집어서 말하긴 어렵네요.

요즘 추세는 LFP 입니다.
이유는 cost와 safey 때문이라고 할 수 있지요.

다시 양극화물질 주제로 돌아가 봅시다.

양극재를 구성하는, 정확하게는 '양극재 활물질'을 구성하는 금속원소로는
리튬, 망간, 코발트, 니켈, 알루미늄 그리고 철이 있습니다.

 

금속 원소들은 각각의 특징을 가지고 있어서
어떤 금속 원소를 포함하냐에 따라 배터리의 용량, 전압, 수명 등등 
특성들이 달라지게 됩니다.
그리고 어떤 비율 (레시피)을 사용하는지가 

배터리 업체들의 핵심 기술, 노하우라고 할 수 있겠습니다.

다음에도 배터리 관련 이야기를 계속 해보겠습니다.