안녕하세요. 공대생P 입니다. 최근 주식시장에서 이차전지 관련 기업들의 관심이 뜨겁습니다. 그 중 대표적인 예가 에코프로비엠입니다. 리튬이온배터리에 사용되는 양극재를 제조하는 회사인데요. 핵심 기술인 CSG에 대해 말씀드리려 합니다.
1. 양극재란?
배터리의 두 전극 중 상대적으로 높은 전위(V)를 갖는 전극을 의미합니다. 따라서 상대적으로 높은 전극을 양극(+), 반대로 낮은 전극을 음극(-)으로 정의하여 사용하고 있습니다. 현재 리튬이온배터리의 양극재는 전이금속인 니켈(Ni), 코발트(Co), 망간(Mn), 철(Fe)과 기타화합물인 인산(FeO4)의 산화물로 이루어져 있습니다. 좀 더 자세한 내용은 아래 포스팅한 글을 참고하시면 좋을 것 같습니다.
리튬이온배터리 NCM 양극재(Cathode)에 대한 이해와 양극재 종류
리튬이온배터리 NCM 양극재(Cathode)에 대한 이해와 양극재 종류
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2. CSG 양극에 대하여
CSG는 Core-Shell Gradient의 약자로 전극을 구성하는 전이금속의 농도를 균일한 구배로 정렬하여 안정한 구조를 제공하는 전극입니다. CSG 기술은 세계적인 전극 권위자인 한양대학교의 선양국 교수님에 의해 처음 제시되었습니다.
위 그림은 2019년 선양국 교수님이 세계적인 학술지 Adv. Energy Mater. 2019, 1803902에 게제한 논문의 그림입니다. Ni, Co, Mn으로 구성된 삼원계 NCM 전극은 용량이 높아 가장 많이 사용되는 소재 중 하나입니다. 하지만 니켈함량이 증가함에 따라 구조적으로 불안정하여 배터리 화재를 야기하는 문제점이 있습니다. Core-Shell-Gradient 전극은 니켈의 농도구배를 구형 형상의 전극중심에 집중시켜 구조적 안정성을 개선한 전극입니다.
2.1 수명평가
전지를 제작하여 해당 전극에 대하여 비교군과 용량을 비교한 결과입니다. b그래프의 충전과 방전을 100회 반복하여 방전용량을 비교한 결과입니다. 100회 충전-방전시, CSG전극의 용량이 약 195mAh/g 정도로 비교군인 CC90 전극보다 약 15mAh/g 높은 것을 확인할 수 있었습니다.
2.2 구조적안정성비교
위 그림은 비교군과 실험군을 충전과 방전하여 그 과정에서 전극이 어떤 구조로 변화하는지 주사전자현미경(SEM)으로 분석한 결과입니다. a가 비교군인 CC90이며, b 그림이 실험군인 CSG90 입니다. 4.19V->4.3V의 충전과정에서 실험군의 구조는 변화가 보이지 않는 반면 CC90 전극은 중심부에 크랙이 나타나는 것을 알 수 있습니다. 또한 방전과정 (4.16V->2.7V)에서도 CC90 전극의 형상이 변화하는 것을 볼 수가 있습니다. 이를 CC90 전극의 구조적안정성이 다소 떨어지고, Core-Shell-Gradient 기술이 적용된 양극재가 더 우수한 특성을 나타내는 것을 알 수 있습니다.
오늘은 에코프로비엠의 리튬이온배터리의 핵심소재인 양극재의 기술에대하여 알아보았습니다. 현재 이 기술을 개발한 선양국 교수님은 LG화학과 포스코케미칼에도 기술이전을 진행하신 것으로 알려져 있습니다. 앞으로도 더 우수한 기술을 통해 국내 배터리 사업이 우수한 경쟁력을 갖추면 좋겠습니다. 이상입니다.
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