양극재배터리의 용량과 출력 등을 결정하는 핵심소재로 소재로 생산원가의 40% 가량에 달해 배터리 산업에서 차지하는 비중이 크다. 음극재와 분리막, 전해질과 함께 배터리의 4대 소재로 불린다.
양극재는 배터리 성능을 결정한다. 에너지 밀도를 끌어올리기 위해서는 양극활물질의 에너지밀도를 최대로 높여야 하는데 배터리로서 적합한 성능을 내는 양극활물질로는 Ni(니켈), Mn(망간), Co(코발트), Al(알루미늄) 등을 꼽을 수 있으며 니켈은 고용량 특성, 망간과 코발트는 안전성, 알루미늄은 출력특성을 향상시키는 역할을 한다.
양극재는 이들 물질을 적당한 비율로 섞어 만드는데, 크게 NCM(nickel cobalt manganese)과 NCA(nickel cobalt aluminum) 두 종류의 양극재가 시장을 주도하고 있다.
전기차용 배터리에는 주로 니켈 함량이 높은 양극재가 쓰인다. 양극재 내에 니켈 함량이 높을수록 배터리 용량증대가 쉽기 때문이다. 하지만 니켈 함량이 높으면 안전성이 떨어지기 때문에 니켈 함량을 높이면서 안정성을 얻는 게 양극재 기술의 핵심으로 꼽힌다.
개요
양극은 얇은 알루미늄 기재와 활물질, 도전재, 바인더로 구성된다. 리튬산화물로 구성된 활물질에 소량의 도전재를 넣어 전도성을 높이고, 바인더를 넣어 이들이 잘 붙을 수 있게 돕는 것을 '합제'라고 하는데, 이 합제를 얇은 알루미늄기재 양쪽에 바르면 양극이 만들어진다.
양극의 특성을 나타내는 것은 활물질로, 활물질에 따라 저장되는 전자(electron)의 수가 달라지기 때문에 배터리의 용량과 전압도 달라진다. 리튬과 산소 그리고 다른 물질이 만나 무수한 활물질이 탄생할 수 있지만, 현재 배터리로서 적합한 성능을 내는 양극 활물질은 크게 5가지이다.
양극 활물질은 리튬과 금속 성분의 조합으로 구성되는데, Ni(니켈)은 고용량, Mn(망간)과 Co(코발트)는 안전성, AI(알루미늄)은 출력 특성을 향상시키는 등 금속의 종류와 비율에 따라 서로 다른 특성을 갖는다.
구조 및 종류
리튬이온 배터리의 양극재는 전체 재료비의 약 30~35%를 차지하는 핵심 소재로 금속염의 구성성분과 결정 격자 구조에 따라서 다음과 같이 분류될 수 있다. 그리고 이 두 가지 물질과 결정구조의 분류는 서로 완전히 독립적인 것은 아니며 상호간에 종속관계가 있다.
1) 금속염의 구성성분에 따라 LCO(LiCoO₂ ), NCM(LiNiCoMn), NCA(LiNiCoAlO₂), LMO(LiMn₂O4), LFP(LiFePO₄) 등으로 구분
2) 결정 격자구조에 따라서는 크게 층상(Layered), 스피넬(Spinel), 올리빈(Olivine)으로 구분
층상 구조로는 LCO, NCM, NCA 등의 삼원합금 물질이 대표적이다. 양극활물질의 구성원소가 층상 구조로 위치하며 배터리 충전 시 결정 격자층 사이에 리튬이온이 저장된다. 넓고 평평한 층간 사이에 많은 양의 리튬이온을 보관할 수 있어 에너지 용량이 높다는 것이 장점인 반면 고전압 충전 시 안정성이 떨어진다는 점이 특징이다. 반면 스피넬 구조는 산화물 구조에서 흔히 볼 수 있는 결정 구조이다. 코발트를 사용하지 않기 때문에 가격이 낮고 격자 구조가 입체적 형태를 가져 안전성이 우수하다는 것이 장점이다. 그러나 대표적 스피넬 구조인 LMO 는 에너지 용량이 작고 고온에서 Mn 이온의 용출로 충방전이 계속될수록 용량 및 수명이 저하된다는 문제점이 있다.
LFP로 대표되는 올리빈 구조는 육면체 형태로 되어있어 층상 구조에 비해 격자 구조 안정성이 높고 방전시 리튬이온이 빠져나가도 결정 구조가 열화되는 현상이 적어 수명 안정성이 높다는 점이 특징이다. 또한 고가의 코발트 금속 대신 저렴한 철을 사용하기 때문에 경제적인 측면에서도 유리하다. 다만 철의 전자이동도가 낮고 리튬이온의 확산 속도도 느리다는 단점이 있다. 또한 LFP 동작 전압은 3.2V 로 3.6~4.0V의 다른 리튬이온 전지보다 낮아 상대적으로 에너지 밀도가 낮다. 최근에는 이러한 약점들을 보완하기 위해 LFP 입자 표면을 탄소층으로 코팅하는 공정을 추가해 전자이동도를 높이거나 철을 망간이나 니켈로 대체하려는 고전압 연구가 진행 중이다.
참고자료
같이 보기
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