리튬 배터리의 4대구성 요소와 배터리 신소재

리튬 배터리의 4대 구성 요소

양극 : 리튬이 들어가는 공간으로, 리튬이온 소스가 배터리의 용량과 평균 전압을 결정

 

음극 : 양극에서 나온 리튬이온을 저장했다가 방출하면서 외부 회로를 통해 전류를 흐르게 하는 역할

 

전해액 : 이온이 원활하게 이동하도록 돕는 매개체

 

분리막 : 양극과 음극의 접촉을 차단해 안정성을 높이는 역할입니다.

양극

양극의 구성은 양극의 틀을 잡아주는 얇은 알루미늄 기재에 활물질, 도전제, 바인더가 섞인 합제가 입혀져 있는 형태입니다.

 

활물질 : 리튬이온을 포함한 물질로 전극 반응에 관여하는 물질입니다.

도전제 : 리튬 산화물의 전도성을 높이기 위한 물질입니다.

바인더 : 알루미늄 기재에 활물질과 도전제가 잘 정착할 수 있도록 도와주는 접착제 역할을 합니다.

 

양극에 리튬을 많이 포함시키면 배터리 용량이 커지고, 음극과 양극의 전위차가 크면 전압을 크게 만들 수 있습니다.

음극은 종류에 따라 전위차가 작지만 양극은 상대적으로 차이가 크기 때문에 배터리 전압을 결정하는데 양극이 쓰입니다.

 

양극 활물질은 리튬과 금속성분의 조합으로 구성됩니다.

 

Ni(니켈) : 함유량이 높을수록 고용량 특성을 갖습니다.

Mn(망간) : 함유량이 높을수록 안정성을 높입니다.

Co(코발트) : 함유량이 높을수록 안정성을 높입니다.

Al(알루미늄) : 함유량이 높을수록 출력 특성이 향상됩니다.

 

삼성 SDI 경우 NCM(니켈 코발트 망간) 또는 NCA(니켈 코발트 알루미늄) 양극 활물질을 중심으로 제품 개발 중입니다.

Ni은 배터리 용량과 관련 있기에 Ni 함유량을 최대로 높인 하이니켈 배터리가 신기술로 개발 중입니다.

음극

음극은 구리 기재 위에 활물질, 도전제, 바인더가 입혀져 있으며, 특히 활물질로 안정적인 구조를 지닌 흑연을 사용합니다.

 

흑연은 층상구조를 갖고 있어 양극에서 나온 리튬이온을 가역적으로 흡수/방출하면서 외부 회로를 통해 전류를 흐르게 합니다.

 

다만 리튬이온이 흑연 구조 사이를 들어왔다 나가면서 흑연의 분자구조를 미세하게 바꿉니다.

그래서 배터리에 수명이 존재하는 것입니다.

 

또 흑연을 사용하는 이유로는 구조적 안정성, 낮은 전자 화학 반응성, 리튬 이온을 많이 저장할 수 있는 조건, 가격 등이 있습니다.

 

흑연에 비해 질량 대비 에너지 밀도가 약 10배 큰 특성으로 인해 차세대 음극 소재로 실리콘이 주목받고 있습니다.

 

하지만 구조적 안정성이 흑연에 비해 매우 떨어져서 충전 시 부피가 3배나 커지는 문제가 있습니다.

 

그래서 만든 것이 탄소 복합 기술 중 하나인 SCN(Si-Carbon-Nanocomposite)입니다.

 

SCN란 구조가 안정적인 흑연에 에너지 밀도 특성이 우수한 실리콘을 매우 작은 사이즈로 집어넣는 것입니다. 이렇게 되면 안정적인 구조를 가지면서 높은 에너지 밀도를 가진 음극 소재를 만들 수 있습니다.

전해액

배터리의 안정성을 결정짓는 구성요소입니다.

 

양극과 음극 사이에 리튬 이온을 이동할 수 있도록 하는 매개체로 이온 전도도가 높은 물질을 주로 사용하게 됩니다.

 

전해액은 리튬 염, 유기 용매, 첨가제로 구성됩니다.

리튬 염 : 리튬이온이 지나갈 수 있는 이동 통로 역할을 합니다.

용매에 쉽게 용해되거나 해리가 잘 되는 특성을 가져야 하며 보편적으로 LiPF6(리튬 인상 불소)를 사용 중에 있습니다.

 

유기 용매 : 리튬 염을 용해시키기 위해 사용하는 유기 액체입니다.

이온 화합물을 잘 분리시킬 수 있도록 리튬염에 대한 용해도가 커야 하며, 리튬의 이동이 원활하도록 점도가 낮아야 합니다. 뿐만 아니라 낮은 화학 반응성도 중요한 파라미터입니다.

 

첨가제 : 특정 목적을 위해 소량으로 첨가되는 물질입니다.

다른 구성요소보다 첨가되는 양은 절대적으로 적지만, 수명 개선, 고온 특성 개선, 저항 감소 등 빠져서는 안 될 중요한 구성요소입니다.

 

양극 보호 첨가제는 양극 구조를 안정화시키고 표면을 보호해 열화를 억제하면서 발열을 개선합니다.

음극용 첨가제는 용매보다 먼저 분해되어 음극에 튼튼한 막을 형성하고 수명을 향상하며 발열을 줄이고 배터리 용량을 유지합니다.

차세대 전해액

전해액이라고 하긴 좀 그런 것이 전고체는 전해질을 고체로 바꾼 배터리입니다.

전해액을 사용할 시 온도 변화로 인한 팽창이나 외부 충격에 의한 누액이 발생하면 폭발 및 화재 가능성이 있습니다.

반면 전해질이 고체인 전고체 배터리는 구조적으로 단단하며, 전해질이 손상되더라도 형태를 계속 유지할 수 있어 안정적입니다.

 

또한 전고체는 전해질 역할뿐만 아니라 분리막의 역할까지 수행할 수 있어

분리막을 비롯한 안정성 관련 부품을 줄이는 대신, 배터리 용량을 늘릴 수 있는 활물질을 채워 배터리 에너지 밀도를 높일 수 있습니다.

 

현재 황화물 계열 고체 전해질이 유력합니다.

다만 공정 과정이 매우 복잡해 현재 100g당 수백 만원에 이릅니다.

분리막

양극과 음극이 배터리의 기본 성능을 결정한다면 전해액과 분리막은 배터리의 안전성을 결정짓는

구성요소라고 할 수 있습니다. 

분리막은 양극과 음극이 서로 섞이지 않도록 물리적으로 막아주는 역할을 담당하고 있습니다.

전자가 전해액을 통해 직접 흐르지 않도록 하고, 내부의 미세한 구멍을 통해 원하는 이온만 이동할 수 있게 만들죠.

즉, 물리적인 조건과 전기 화학적인 조건을 모두 충족시킬 수 있어야 합니다.

현재 상용화된 분리막으로는 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP)와 같은 합성수지가 있습니다.

그래핀

그래핀이란 탄소로 이뤄진 2차원 소재로 구리보다 100배 뛰어난 전기 전도율,

다이아몬드보다 2배 뛰어난 열 전도율을 가졌으며, 강철보다 200배 단단하지만 유연성도 좋습니다.

또한 모양에 따라 반도체의 역할도 할 수 있습니다.

 

이러한 특성 때문에 양극재, 음극재 재료로 사용할 수 있으며, 자동차 내부 회로 및 차량용 반도체에도 사용 가능합니다.

그래핀을 원통형으로 만들면 탄소 나노 튜브(CNT) 공처럼 둥글게 말면 풀러렌이라 부릅니다.