2차전지 원리와 4대 소재(양극재,음극재,분리막,전해질)는 무엇인가?

2차전지 4대 소재는 양극재, 음극재, 전해액, 분리막이다. 어렵다면 어렵고 쉽다면 쉬운 이야기인데 최대한 쉽게 풀어서 이야기해보려고 한다.

2차전지의 원리부터 알아보자.

산화환원 반응이라고 하는데 전자(e-)가 이동하는 것이다. 전자를 얻으면 환원이라고하고, 전자를 잃으면 산화라고 한다. 리튬이온 배터리에서 양극에 리튬(Li)이 있다. 리튬은 리튬이온과 전자(e-)로 구성되어 있다. 그런데 외부에서 힘이 가해지면(전압, 충전) 양극에 있던 리튬이온(Li+)이 분리막의 구멍을 통과해 음극(-)으로 이동한다. 그러면 양극에는 전자들끼리만 남게되는데 여자, 남자가 이성을 좋아하듯 전자는 끼리끼리 있는 것을 싫어한다. 그래서 리튬이온이 있는 음극으로 이동한다. 이것이 충전이다. 에너지를 저장하게 된다.

그리고 반대로 배터리가 어딘가에 연결되어 사용될때는 음극에 있던 리튬이온이 양극으로 옮겨간다. 마찬가지로 전자들도 리튬이온을 따라 양극으로 이동한다. 전자가 음극에서 양극으로 가는 경우에 방전(에너지 방출)이 된다. 배터리를 사용한다는 것은 음극에 있는 전자가 계속해서 양극으로 옮겨가는 과정이다. 그리고 모든 전자가 옮겨가면 방전이 된다.

분리막은 양극재와 음극재를 분리시켜두고, 전해액은 전자가 옮겨다니는 길이 다니기 쉽게 만들어주는 역할을 한다.

양극재

배터리의 성능을 결정하는 것으로 보통 용량과 출력이다. 양극재는 용량과 출력(전압)을 거의 결정하고 원가의 30~40%를 차지한다.

리튬이온 배터리를 예로들면 양극재에는 리튬이 있다. 그런데 리튬(Li)은 혼자 있는 성격이 아니다. 산소(O)와 붙어 있는다. 이것을 리튬산화물(Li+O)이라고 한다. 또한 양극에서는 배터리 전극 반응에 관여하는 물질들을 첨가한다. 이것을 ‘활물질’이라고 한다. 양극활물질이다. 리튬이온 배터리에서는 리튬산화물이 양극활물질이 된다.

다양한 연구 끝에 요즘에는 5가지 활물질로 나뉜다. 리튬(Li), 니켈(Ni), 망간(Mn), 코발트(Co), 알루미늄(Al)의 조합으로 만든다. 각각 담당하는 역할이 다른데 니켈은 고용량, 망간과 코발트는 안정성, 알루미늄은 출력이다. 이것들을 적절히 조합해서 최고의 용량과 출력을 내는 것이 베터리의 기술력이다.

LCO(리튬,코발트), NCM(니켈,코발트,망간), NCA(니켈,코발트,알루미늄), LMO(리튬,망간 산화물), LFP(리튬,철)이다. 여기서 니켈(Nickel), 망간(Manganese), 코발트(Cobalt)로 이뤄진 배터리를 삼원계 배터리라고 부른다.

LCO

• 활물질 : LiCoO2
• 소재 : 삼원계
• 장점 : 안정성, 수명

NCM

• 활물질 : Li[NiCoMn]O2
• 소재 : 삼원계
• 장점 : 용량
• 단점 : 출력, 안정성
• 적용제품 : EV, ESS

NCA

• 활물질 : Li[NiAlCo]O2
• 소재 : 삼원계
• 장점 : 용량/출력
• 단점 : 안정성
• 적용제품 : Non-IT EV

LMO

• 활물질 : LiMnO2
• 소재 : 망간계
• 장점 : 출력
• 단점 : 용량
• 적용제품 : Non-IT EV

배합하는 비율에 따라 NCM523, NCM622, NCM811이라고 부르기도 한다. 니켈의 비율을 높이고 코발트의 비율을 낮추는 것은 한정된 코발트의 양으로 원가가 비싸기 때문에 자연스럽게 흘러왔다.

양극을 조금 더 자세히 살펴보면 양극의 틀을 잡아주는 얇은 알루미늄 기재에 활물질과 도전제, 바인더가 섞인 합제가 입혀져 있다. 활물질은 리튬이온을 포함하는 위의 물질들이고, 도전제는 리튬산화물의 전도성을 높이고, 바인더는 알루미늄기재에 활물질과 도전제가 잘 정착할 수 있도록 접착제의 역할을 한다.

다음은 음극재를 알아보자.

음극재

음극재는 배터리의 수명을 결정한다.  음극은 안정적인 구조, 낮은 전자 화학 반응성, 리튬 이온을 많이 저장할 수 있어야한다. 그래서 원료로 흑연이 있고, 인조흑연과 천연흑연이 있다. 그런데 실리콘을 첨가물로 섞으면 배터리의 효율이 더 좋아진다. 그래서 실리콘을 첨가물로 넣지만 실리콘만을 넣을 수는 없고 흑연과의 적절한 조화가 필요하다.

배합을 제대로 못했을땐 배터리의 안정성이 떨어져서 폭발의 위험이 있다.