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[알아봅시다] 리튬이온배터리 힘의 원천 양극재

'활물질' 따라 성능 천차만별…에너지밀도 높은 'NCA' 각광
전자가 도선 따라 음·양극 오가는 '산화환원반응'
리튬산화물·흑연이 전기 발생시키며 충·방전 반복
전극 관여 활물질, 배터리 핵심 용량 · 전압 결정
전기차엔 대부분 NCM · LMO · NCA 혼합 사용해 

박정일 기자 comja77@dt.co.kr | 입력: 2018-02-11 18:00
[2018년 02월 12일자 18면 기사]

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[알아봅시다] 리튬이온배터리 힘의 원천 양극재

[알아봅시다] 리튬이온배터리 힘의 원천 양극재


최근 폭스바겐, 르노 등 글로벌 완성차 업체가 전기차 생산 비중을 늘리겠다고 발표하면서 전기차에 대한 관심이 더욱 높아지고 있습니다. 전기차 수요가 폭발적으로 늘어날 것으로 예상되는 가운데 전기차에 들어가는 리튬이온 배터리는 물론, 배터리 생산에 필요한 원재료 수급의 중요성도 커지고 있습니다.

배터리 원재료 가운데에서도 특히 양극 소재는 배터리 용량과 출력을 결정하는 핵심 소재입니다. 그런 만큼 배터리 제조사들으니 양극재 개발에 많은 공을 들입니다.이에 앞서 먼저 리튬이온 배터리의 작동 원리와 4대 구성요소에 대해 알아보겠습니다. 리튬이온 배터리는 양극(+)과 음극(-) 물질의 '산화 환원 반응'으로 화학에너지를 전기에너지로 변환시키는 장치입니다. '산화 환원 반응'이란 반응물 간 '전자(e-) 이동'으로 일어나는 반응입니다. 전자를 잃은 쪽을 산화됐다고 하고 전자를 얻은 쪽을 환원됐다고 표현합니다.

산화 환원 반응에서, 다시 말해 리튬이온과 분리된 전자(e-)가 도선을 따라 음극과 양극 사이를 오갈 때 전기가 발생합니다. 리튬이온 배터리는 리튬이온에서 분리된 전자가 양극에서 음극으로 이동하면 충전이 되고(음극에서 환원이 일어나 에너지를 저장), 반대로 음극에서 양극으로 이동하면 방전(양극에서 환원이 일어나 에너지 방출)이 되는 원리로 작동합니다.

이렇게 충·방전이 가능한 리튬이온 배터리를 이루는 가장 기본적인 4대 구성요소는 양극, 음극, 분리막, 전해질입니다. 양극은 리튬(Li)과 산소(O)가 만난 리튬산화물(Li+O)로 구성합니다. 충전 시 양극을 이루는 물질 중에서 리튬이온만 빠져 나와서 음극으로 갑니다. 방전 시에는 리튬이온이 원래 있었던 양극으로 돌아가고, 이때 전기가 발생합니다. 그래서 업계에서는 양극을 리튬이온의 본가라고 부릅니다. 음극은 여러 소재가 있지만, 최근에 많이 사용되는 음극 재료는 천연흑연입니다. 흑연은 마치 종이가 겹쳐 있는 것과 같은 구조를 이루고 있는데, 이를 층상구조라고 합니다. 양극에서 빠져나온 리튬이온이 이 층상구조 사이에 들어갑니다.

배터리 양극과 음극 사이에는 분리막이 있습니다. 분리막은 미세한 구멍이 있어 리튬이온이 양극과 음극을 오갈 수 있게 합니다. 하지만 양극과 음극의 물리적 접촉은 절대로 허락하지 않는 격리막 역할도 합니다. 양극과 음극이 직접 만나면 너무 뜨겁게 반응해서 폭발할 위험이 있기 때문입니다.

마지막으로 유기용매로 이루어진 전해액이 있습니다. 전해액은 양극과 음극 간의 이온 이동을 가능케 하는 중간 매개체로 리튬이온의 원활한 이동을 돕는 역할을 합니다.

배터리 특성을 말할 때 가장 중요하게 생각하는 것이 바로 용량과 출력인데요. 리튬이온 배터리의 용량과 출력 특성은 주로 양극이 결정짓습니다. 리튬은 반응성이 커 자연 상태에 있을 때에는 리튬 원소로 있지 않고, 리튬(Li)과 산소(O)가 만난 리튬산화물(Li + O) 형태로 존재합니다. 산화물 상태가 안전하므로 배터리 양극에도 리튬산화물 형태로 리튬이 존재하는데, 리튬산화물처럼 양극에서 배터리 전극 반응에 관여하는 물질을 '활물질'이라고 부릅니다. 어떤 양극 활물질을 사용했느냐에 따라 저장되는 전자(e-)의 수가 달라지기 때문에 배터리 용량과 전압이 결정됩니다.

이렇게 양극 성능을 결정짓는 양극 활물질에는 어떤 것들이 있을까요. 리튬과 산소, 다른 물질이 만나 무수한 수의 리튬산화물이 탄생할 수 있지만, 오랜 연구 끝에 현재 배터리로서 적합한 성능을 내는 활물질은 크게 5가지 종류입니다. 양극 활물질은 리튬과 금속성분 조합으로 구성된다고 볼 수 있는데요. 이때 금속 종류와 비율에 따라 서로 다른 특성을 가집니다. 금속 종류별로 Ni(니켈)은 고용량 특성, Mn(망간)과 Co(코발트)는 안전성, AI(알루미늄)은 출력 특성을 향상시키는 역할을 합니다. 전기차가 요구하는 다양한 배터리 성능을 만족시키기 위해 배터리 업체들은 이 소재들의 적절한 조합 능력을 확보하는 게 중요합니다.

현재 생산되는 대부분 전기차 배터리는 NCM(니켈·코발트·망간), NCA(니켈·코발트·알루미늄), LMO(리튬·망간·산화물) 양극 소재를 적절히 혼합해 사용합니다. LFP(리튬·인산·철)의 경우 높은 안전성으로 중국 전기차 업체가 채택하고 있지만, 에너지 밀도가 낮아 부피가 크고 출력이 낮은 단점이 있어, 중국을 제외한 나머지 전기차 제조사들은 거의 사용하지 않고 있습니다. 이러한 이유로 전기차 배터리로는 주로 NCM, NCA 양극 활물질을 중심으로 제품 개발이 이어지고 있습니다.

이 가운데 최근 업계에서 주목하는 물질은 NCA입니다. NCA는 NCM, LMO 등에 비해 출력과 에너지밀도가 높은 특성이 있어 소형전지용으로 주로 전동공구 등에 채용되고 있습니다.

박정일기자 comja77@dt.co.kr

도움말= 삼성SDI

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