2차 전지(리튬 이온 전지)의 구조와 핵심 재료

탄소배출량을 줄이고 신재생에너지를 활용해야하는 요구사항이 전세계적으로 증가하면서 2차 전지의 관심도 떠오르게 되었습니다. 2차 전지 중 리튬 이온 전지는 세계에서 거의 95%의 사용되는 전지입니다. 그래서 오늘은 리튬 이온 전지에 대해서 알아보고자 합니다.

전기차

2차 전지는 흔히 사용하는 일회용 전지(예 : 알카라인 건전지)가 아니라 여러번 충전해 다시 사용할 수 있는 전지를 말합니다. 재사용이 가능하기 때문에 친환경으로 더 관심이 높아진 산업이기도 합니다. 2차 전지에는 주요 핵심 물질은 총 4가지입니다. 바로 양극재, 음극재, 분리막, 전해액 이렇게 총 4가지 소재가 2차 전지의 핵심입니다. 아래에서 각 소재별 종류 및 현황에 대해 설명드리겠습니다.

 

양극재(Cathode)

리튬이온 배터리라는 이름은 양극활물질의 소재로 결정이 되었습니다. 바로 양극재에 리튬산화물을 사용했기 때문입니다. 리튬의 전자가 이동하는 성질을 바탕으로 전기에너지를 생성하는 전지가 리튬이온 전지입니다. 양극은 배터리의 용량과 성능에 가장 큰 영향을 미치는 소재입니다. 그래서 양극을 어떤 소재로 사용하느냐가 중요한 요소라고 할 수 있습니다.

양극재는 일반적으로 5가지로 구분하고 있습니다. 첫번째로는 LCO(LiCoO2)입니다. 가장 많이/오랫동안 쓰여온 리튬이온배터리의 소재인데 주로 소형 IT제품에 많이 사용되고 있습니다. 전기차에 사용되기 보다는 소형 가전, IT 제품에 많이 사용되는 이유는 수명이 길며 안정성은 크고 리튬과 코발트만 사용하기 때문에 무겁지 않은 편에 속합니다. 출력 및 용량은 현재 많이 사용되고 있는 NCM보다는 떨어지는 편이긴 하죠. 그리고 Co가 많이 사용되기 때문에 현재 사용량이 줄고 있는 현황입니다. 다른 양극소재(NCM, NCA) 대비 출력과 용량이 떨어지는 부분이 있지만 안정성과 수명 측면에서 소형 기기에 사용하게 적합하기 때문에 LCO로 사용하는 것입니다. 두번째로는 NCM(Li[Ni, Co, Mn]O2)입니다. 전기차 배터리와 ESS에서 주로 사용되고 있는 양극 소재입니다. LCO대비 안정성과 수명은 떨어지지만 출력과 용량은 더 높은 편에 속하는 소재입니다. 자동차와 고출력을 요하는 전동기기에 주로 사용되고 있습니다. Co는 소재의 안정성을 높여줘 Co 함량이 높을수록 안정적이지만 분쟁광물에 속하는 소재이기도 하며 가격이 비싸기 때문에 Co 함량을 줄이고있는 현황입니다. Ni 함량은 높을수록 출력과 용량이 높아지지만 안정성은 그만큼 떨어지게 됩니다. 현재 Ni 함량을 높이려고 하고 있으며 NCM811이 양산되고 있으며 NCM9/0.5/0.5도 거의 개발이 완료된 상태로 Ni 함량을 높이고 Co를 줄이는 데 노력하고 있습니다. 주요 배터리 업체인 SK온과 LGES의 경우 Ni함량을 높이는 것에 주력을 두고 있습니다. 그리고 NCA(Li[Ni, Co, Al]O2)가 있습니다. NCM과 유사하지만 Al이 사용되었다는 특징이 있습니다. Al을 사용하게 되면 출력이 높아진다고 알려져 있어 NCA와 NCMA등 Al을 의도적으로 첨가하는 경우가 있습니다. Al의 함량일 보통 3~5%이며 이때 Ni은 80~90%의 함량을 사용하고 있습니다. Tesla에서 NCA를 적용한 리튬 이온 배터리를 사용하게 되면서 사용량이 크게 늘어난 양극재입니다. 현재 엘앤에프에서 양산화하고 있는 소재이며 삼성 SDI와 SK온 등에 납품하고 있는 양극 소재입니다. 그 다음으로는 스피넬 구조인 LMO(LiMn2O4)과 올리빈 구조인 LFP(LiFePO4)인데 LMO와 LFP라고 불리는 배터리입니다. 최근 CATL 등 중국에서 LFP를 계속 사용하겠다고 밝히고 사용중입니다. LFP는 철을 기반으로 하기 때문에 다른 소재대비 저렴하고 구하기 쉬운(저렴한) 소재이지만 상당히 무겁고 수명이 짧다는 단점이 있고 철을 사용하기 때문에 큰 성능을 내기가 어렵습니다. 하지만 최근 배터리로 인한 차량 화재사고가 많이 있었고 Ni의 수요가 증하가면서 안정적이면서 급격하게 상승한 Ni 가격의 Risk를 줄이기 위해 LFP를 선택한 것입니다.

양극 소재별 전압에 따른 용량

 

음극재(Anode)

음극과 양극을 통해 리튬 전자가 이동하면서 전기 에너지가 발생하게 됩니다. 음극은 리튬 전자를 많이 가져올 수 있고 / 보관할 수 있고 / 다시 잘 보내줄 수 있어야 음극으로서의 최선의 역할을 하게 됩니다. 그래서 음극재는 구조적 안정성이 가장 중요합니다. 층상 구조를 기본적으로 가지고 있고 각 층 사이에 리튬 전자가 이동하여 보관됩니다.

음극재는 현재 거의 모든 업체에서 흑연을 사용하고 있습니다. 흑연은 연필 및 샤프심을 생각하시면 됩니다. 그만큼 우리가 쉽게 구할 수 있는 소재이며 저렴합니다. 흑연은 천연 흑연과 인조흑연으로 나뉘게 되는데 천연 흑연은 말그대로 자연 그대로의 흑연이고 인조 흑연은 원하는 방식으로 가공하여 사용하게 되는 흑연입니다. 별도 가공과정을 거치기 때문에 천연 흑연보다는 인조 흑연이 더 성능이 우수하고 가격도 더 비쌉니다. 천연 흑연은 인상흑연과 토상흑연으로 구분되는데 흑연의 종류는 마찰계수와 전기저항에서 주로 차이가 있습니다. 그래서 용도에 맞게 선택하여 사용하게 됩니다. 마찰계수는 인상흑연이 가장 낮고 토상흑연이 가장 높으며 전기 저항은 인상흑연이 가장 높고 토상흑연이 가장 낮습니다.

현재 일본을 중심으로 음극 소재로 실리콘을 활용한 고용량 음극활물질을 사업화하려고 시도하고 있습니다. 일반적으로 탄소는 용량이 370mAh/g으로 제한되어 있는데 실리콘을 함께 사용하게되면서 용량이 430mAh/g으로 증가하게 됩니다. 여러 소재를 활용하여 개발을 진행중에 있지만 현재는 실리콘을 활용한 음극소재에 개발을 중점적으로 진행중에 있습니다. 용량을 증가시키기 위해서는 양극재의 기술력이 제일 중요하지만 음극재를 통해서도 향상시킬 수 있습니다. 위에 말씀드린 것과 같이 실리콘 음극재를 사용하는 것인데 아직 상용화 단계가 아니기 때문에 개발을 진행중에 있습니다. 현재 카본 음극재를 사용하게될 경우 리튬 전자가 많이 오고 가게 되는데 이렇게 리튬 전자가 오고 가게 되면서 구조적인 붕괴가 오게 됩니다. 이를 방지하기 위해서 CNT를 추가하여 구조적인 안정성을 확보하고 있기도 합니다. 실제로 시험 결과 CNT 사용 여부를 비교하게 되면 CNT를 사용한 음극재가 더욱 구조적으로 산화환원반응 이후에도 안정적인 모습을 보였습니다.(아래 사진 참고)

CNT 미사용 음극재(충방전 전/후)

CNT 사용 음극재(충방전 전/후)

 

분리막(Separator)

분리막은 양극과 음극을 분리하는 기능을 하면서 동시에 두 소재를 연결해주는 역할을 합니다. 분리막은 정말 얇은 막에 기공이 뚫려있는 구조를 가지고 있습니다. 이 기공을 통해서 Li 전자가 이동하게 됩니다. 분리막은 Li 전자만 이동하고 나머지 양극과 음극 소재 또는 기타 이물이 이동할 수 없는 적정 수준의 기공을 가지고 있어야 안정성이 있는 Cell을 유지할 수 있습니다. 국내 주요 업체는 일전에 IPO에 성공했던 SKIET가 있습니다.

 

전해액(Electrolyte)

Cell 내부에서 양극과 음극 사이에서 전자의 이동을 용이하게 해주는 소재로 유기물입니다. 염을 포함하고 있는데 이 염은 전해액을 만들 때 사용되며 용매가 증발하게 되면 하얗게 남는 물질입니다. 용매는 염을 용해시키기 위해서 사용되는 유기액체입니다.

현재 전해질은 액상화된 상태이기 때문에 안정성이 떨어집니다. 고체는 형체가 있기 때문에 구조를 유지하기가 쉽지만 액체는 형체가 변하기 때문에 구조적 안정석을 감소시키는 역할을 하기도 합니다. 그리고 전해액이 증발하게 되는경우 성능이 크게 하락하게 되기 때문에 개발에 박차를 가하고 있기도 합니다.

안정성이 떨어지는 액체 전해액의 성질로 인해 전고체 배터리에 대한 기대감과 관심이 높습니다. 몇년 전부터 Inter battery 등 다양한 행사에 매번 발표되고 있는 사항이며 일본의 토요타 및 한국의 배터리사인 삼성 SDI에서 개발에 박차를 가하고 있습니다. 삼성 SDI는 전고체 배터리를 2027년 양상화하는 것을 목표로 지속적으로 개발을 이어가고 있습니다.