리튬이온 배터리에서 전지의 용량에 관계되는 양극재(Cathode)는 매우 중요한 소재 중 하나이다. 현재 전기차 시장에서는 전기차의 주행거리를 늘리는 것이 매우 중요한데, 주행거리가 증가하기 위해서는 사용할 수 있는 전기의 양, 즉 에너지 밀도는 전지용량과 관련이 되어있기 때문이다.
에너지 밀도(사용가능한 전기의 양) = 전지 전압 X 전지용량
배터리 시장 증가로 인해 양극재시장 또한 매년 가파른 성장을 하고 있다. 그렇다면 국내에서 생산하는 양극재는 어떠한 양극재일까? 국내 대표 양극재 기업 (에코프로, 엘앤에프)은 3원계 양극재 (NCM)을 생산하는 기업들이다.
일반적으로 3원계 양극재는 Li 이온을 포함하며 전이금속과 (주로 Ni, Co, Mn) 함께 결합된 형태로 존재한다.
여러 양극재들이 존재하지만 크게 3가지 구조(층상, 스피넬, 올리빈)로 나뉘며, 어떠한 양극재를 사용하냐에 따라 용량, 작동전압이 달라진다. 현재 국내 배터리 제조사들은 주로 층상계 양극재 중 NCM, NCA 기반 배터리를 생산하는데 그 이유는 앞서 설명한 에너지 밀도를 극대화할 수 있기 때문이다. 이러한 층상계 양극재를 생산하는 기업으로는 국내 에코프로 (NCM,NCA), 엘앤에프 (NCM) 등이 있다.
NCM 양극재의 경우 사용되는 전이금속의 함량에 따라 소재의 성질이 달라지는 특징이 있다.
Ni (니켈) : 직접적으로 전지 용량에 영향을 준다. 니켈 함량이 많아질수록 전지 용량은 증가하게 된다. 서두에 언급했듯이, 업체들은 전지용량을 늘리는데 주력하고 있기 때문에 니켈 함량을 최대한 많이 높여 배터리를 생산하고 있다. 하지만 단점으로 니켈 함량이 너무 높아지게 되면, 열적 안정성을 저해하는 단점이 있다.
Mn (망간) : 망간은 가격이 매우 싸서 경제적이고, 소재 내 구조적 안정성을 향상시켜, 충전과정 중에 리튬이온이 이동하여도 구조를 유지하게 해주는 장점이 있다.
Co (코발트) : 코발트는 전극소재의 무질서도를 줄여주며, 출력특성에 효과가 있다. 하지만 단점으로 가격이 매우 비싼 단점이 있다. 이에 따라 현재 추세는 Co를 사용하지 않는 양극재 (Co-free) 생산을 목표로 하고 있다.
NCM 양극재(Cathode)는 다음과 같은 공침법을 이용하여 전구체를 제작하고, 이렇게 제작된 전구체(Precursor)를 가지고 활물질을 제조한다.
제조된 활물질, 도전재, 바인더를 분산시켜 슬러리를 만들고, 해당 슬러리를 Al 극판에 코팅하여 최종적으로 양극 전극 시트가 만들어진다. 도전재는 전자전달 속도를 향상해주기 위함이고, 바인더의 경우에는 활물질과 극판의 밀착력을 증가시켜주기 위해 필수적으로 사용된다.
현재 국내 기업의 경우에는 SK on에서 NCM9반반 (니켈함량 90%) 수준까지 선두를 달리고 있고, 타 기업들이 현재 NCM811 (니켈 함량 80%) 수준까지 도달한 상태이다. 니켈 함량이 높아짐에 따라 용량은 개선되었지만, 열적 안정성 저하로 인한 화재의 위험이 있으므로 열적 안정성이 개선된 소재도 하루빨리 개발되었으면 하는 바람이다.
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