LG화학 에코프로 엘앤에프가 주목하는 양극재 단결정

안녕하세요. 공대생P입니다. 최근 에너지밀도를 결정짓는 양극 소재에 대한 관심이 뜨겁습니다. 이번 포스팅에서는 차세대 전극 소재의 기술이라 불리우는 양극재 단결정(Single crystal) 기술에 대해 설명드리려고 합니다.

 

 

 

1. 단결정 양극재란?

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최근 양극재 회사들이 앞다투어 개발하는 기술 중 하나는 단결정 양극재 입니다. 아래 기사는 전자신문 디일렉의 기사입니다. 최근 LG화학이 하아니켈단결정양극재 양산에 성공했다는 기사 입니다.

LG화학 양산 뉴스기사 (출처 : https://www.thelec.kr/news/articleView.html?idxno=21742)

LG화학 뿐만 아니라, 양극재 주요 회사인 에코프로그룹, 엘앤에프, 유미코아 등 많은 회사들이 관심을 보이고 있습니다. 왜 이 기술을 기업들이 앞다투어 개발하려고 하는 것인지 이유에 대해 알아보겠습니다.

 

 

 

2. 다결정의 단점(Polycrystalline)

아래 그림은 해당 두 양극재의 차이점을 보기 쉽게 설명한 논문에서 가져온 그림입니다. 기존 회사들이 사용하는 다결정(Polycrystalline) 제품을 먼저 설명드리겠습니다.

Polycrystalline vs Single-crystalline (출처 : Electrochim. Acta 2016, 227, 225)

 

2.1 전극표면 균열(Crack) 발생

해당 문제 발생 전 배터리 제조공정에 대해 알아야 할 필요가 있습니다. 양극 극판 제조공정에서 양극 슬러리를 집전체에 코팅 후 압연하는 공정을 거치게 됩니다. 압연 공정이란 코팅 후 집전체 위에 분포된 양극재에 압력을 가해 전극 내 빈공간을 제거해주는 공정입니다. 해당 공정은 양극활물질 내부 공간의 공극률을 줄여 더 많은 용량을 발현하게 해주는 핵심공정입니다. 

압연공정 (출처 : Applied Energy Volume 286, 15 March 2021, 116499)

또한 압력을 가함에 따라 전극의 두께를 줄이기 때문에 부피당 에너지밀도를 증가 시킬 수 있는 핵심공정입니다. 하지만 너무 높은 압력을 가하게 되면 상대적으로 입자가 큰 다결정의 표면에 균열(Crack)이 가거나 입자가 깨지는 문제가 발생됩니다. 결과적으로 용량이 제대로 잘 발현되지 않는 문제를 초래합니다.

 

 

2.2 가스발생

압연공정으로 인한 Crack에 의해 연계되어 나타나는 것이 가스발생입니다. 아래 문헌에서 발췌한 그림을 참고하면서 설명드리겠습니다.

가스발생 (출처 : Nano Select 2020;1:111–134)

양극 내부에 균열이 가게되면 전해액이 균열 내부로 침투하며 추가적인 부반응을 야기합니다. 이때 표면 및 내부 CEI 가 형성되고 전극의 구조가 불안정하게 변화합니다. 불안정한 구조에 따라 전이금속인 니켈이 용출되고 하이니켈소재 내부의 산소가 방출되어 가스를 형성하는 문제를 갖고 있습니다. 산소는 추가적으로 셀 내부의 부피를 부풀게하고 화재 및 폭발에 기여하는 심각한 문제를 낳고 있습니다.

 

 

 

3. 단결정의 장점

3.1 입자 크기에 따른 공정성

아래 그림은 다결정(Polycrystalline)과 단결정(Single crystalline)의 SEM (전자주사현미경) 분석 결과 입니다. a,b,e는 Polycrystalline 이며, c, d, f는 Single crystalline에 대한 결과입니다. 

전자현미경 실험 결과 (출처 : Nano Energy 70 (2020) 104450)

일단 현미경 분석 결과 입자 크기가 상대적으로 약 2~3um로 Polycrystalline에 비해 5배 정도 작은 것을 알 수가 있습니다.

확대한 b,e 경우에 높은 압력으로 인한 crack 발생을 확인할 수 있으며 이에 따라 부반응이 더 진행되었음을 알 수 있습니다. 반대로 d,f 의 경우에는 crack이 발생되지 않음을 확인 할 수 있으므로 좀 더 우수한 소재임을 판단 할 수 있습니다.

 

 

3.2 전기화학평가 (Polycrystalline vs Single-crystalline)

해당 소재들을 기반으로 파우치셀에서 전기화학평가를 진행한 결과입니다.

전기화학 수명평가 결과 그래프 (출처 : Nano Energy 70 (2020) 104450)

하이니켈 양극재의 주된 단점인 열적 안정성을 확인하기 위하여 45도에서 수명평가를 진행한 결과입니다. N-NCM(Polycrystalline), SC-NCM(Single-crystalline) 으로 실험을 진행하였습니다. 결과적으로 초기 용량은 비슷하였으나 200사이클 이후부터 다결정의 용량이 급격하게 감소하는 것을 알 수 있었습니다. 이를 통해 단결정 양극재가 더 우수함을 다시 한번 확인 할 수 있었습니다.