배터리 성능 좌우하는 리튬이온 배터리 소재 중 양극재 A~Z (4개의 질문)
작성자 : tychung1 분류 : 신소재/에너지 | 공통 작성일 : 2020.10.05 17:26:41 추천 : 0 조회 : 764 키워드 : 양극재,삼성 SDI,LG화학,SK이노베이션
(개요)
배터리 성능을 좌우하는 리튬이온 배터리 소재 중 양극재에 대해 알아보겠습니다.
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Q:리튬이온 배터리의 원리와 구조가 궁금합니다.
충전과 방전이 가능한 리튬이온 배터리의 기본적인 4대 구성요소는 '양극' '음극' '분리막' '전
해질(전해액)'입니다. 리튬이온 배터리는 양극(+)과 음극(-) 물질의 산화환원 반응을 통해 화학
에너지를 전기에너지로 변환시키는 구조입니다. 산화환원 반응이란 반응물 간 전자(e-) 이동
때문에 일어나는 반응으로 전자를 잃은 쪽을 '산화', 전자를 얻은 쪽을 '환원'됐다고 합니다.
양극은 리튬(Li)과 산소(O)가 만난 리튬산화물(Li+O)로 구성돼 있는데요, 배터리의 음극(-)과
양극(+)을 연결하면 도선을 통해 음극의 전자가, 전해액을 통해 리튬이온이 양극으로 이동하게
됩니다. 쉽게 말해 리튬이온에서 분리된 전자가 양극에서 음극으로 이동하면 충전, 반대로 음
극에서 양극으로 이동하면 방전이 되는 원리입니다. 이렇게 리튬이온이 양극과 음극을 '왔다
갔다'하면서 충전과 방전이 이뤄지고, 전기도 생겨납니다.
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Q:양극재는 무엇인가요.
리튬은 반응성이 크기 때문에 자연 상태에 있을 때, 리튬(Li)과 산소(O)가 만난 리튬산화물 형
태로 존재합니다. 배터리의 양극에도 리튬산화물 형태로 리튬이 존재하는데요, 리튬산화물처
럼 양극에서 배터리 전극 반응에 관여하는 물질을 '활물질'이라고 부릅니다. 양극재에는 얇은
알루미늄기재와 활물질, 도전제, 바인더가 있습니다. 리튬산화물로 구성된 활물질에 소량의 도
전제를 넣어 전도성을 높이고, 바인더를 넣어 이들이 잘 붙을 수 있게 도와준 것이 '합제'인
데, 작은 입자의 파우더 가루들이 섞여 있는 형태입니다.
이 합제를 얇은 알루미늄기재 양쪽에 발라 양극이 만들어집니다. 따라서 어떠한 양극 활물질
을 사용하느냐에 따라 저장되는 전자(e-) 수가 달라지고 배터리 용량과 전압도 결정됩니다.
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Q:양극의 성능을 결정짓는 양극 활물질에는 어떤 것이 있나요.
현재 배터리로서 적합한 성능을 내는 활물질은 크게 다섯 가지로 구분합니다. 양극 활물질은
리튬과 금속 성분의 조합으로 구성된다고 볼 수 있습니다. 이때 금속 종류와 비율에 따라 서
로 다른 특성을 가집니다. 금속 종류에 따라 니켈(Ni)은 고용량, 망간(Mn)과 코발트(Co)는 안
전성, 알루미늄(AI)은 출력 특성을 향상하는 역할을 합니다.
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전기차가 요구하는 다양한 성능을 만족시키기 위해 배터리 업체는 이들 소재의 적절한 조합
능력을 확보하는 것이 중요합니다. 현재 생산되는 대부분의 전기자동차용 배터리는 니켈・코
발트・알루미늄(NCA), 니켈・코발트・망간(NCM), 리튬・망간・산화물(LMO) 등 양극 소재를
적절히 혼합해 사용하고 있습니다. 리튬인산철(LFP)은 중국 전기차용 배터리 업체들이 주로
사용하는데 높은 안전성과 상대적으로 낮은 가격의 장점이 있습니다. 반면에 에너지 밀도가
낮고 부피가 크며 출력이 낮다는 단점이 있습니다.
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현재 전기차 배터리의 양극 소재로 주로 NCA, NCM, LFP 등이 사용되고 있습니다. 니켈 함
량을 높인 하이니켈(High-Ni) 양극 소재 개발 소식도 자주 들려오고 있습니다. 하이니켈을 사
용하는 것은 바로 배터리의 에너지 밀도를 높이기 위해서 입니다. 배터리 에너지밀도가 높다
는 것은 곧 동일한 용량의 배터리를 더 적은 무게와 작은 부피로 전기차에 탑재할 수 있다는
것을 의미합니다.
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Q:우리나라 배터리 기업은 어떻게 대응하고 있나요.
현재 국내 배터리 업체들이 대부분 NCM 개발에 주력하고 있는 반면 삼성SDI는 NCA,
NCM 양극 소재를 중심으로 제품을 개발하고 있습니다 NCA는 NCM, LMO 등 타 소재 대
비 출력과 에너지밀도가 높은 특성이 있어 소형배터리 시장의 전동공구용에 주로 사용됐습
니다.
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삼성SDI는 내년 니켈 함량을 88%로 높인 NCA 배터리를 출시할 예정입니다. LG화학은 기
존 NCM 양극재에 값싼 알루미늄을 추가하는 기술을 확보했으며 내년 하반기 양산을 계획
하고 있습니다. SK이노베이션은 현재 NCM811(니켈 80%・코발트 10%・망간 10%) 배터리
를 양산하고 있습니다.
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(원문) https://www.etnews.com/202010040000