배터리 양극의 구조와 특성

1. 양극의 구성

 양극은 배터리의 용량과 출력을 결정짓는 중요한 요소 중 하나이다. 리튬산화물로 구성된 활물질,도전재,바인더로 구성되어 있다. 활물질에 소량의 도전제를 넣어 전도성을 높이고 바인더를 넣어 이들이 잘 붙을 수 있도록 하는 것을 합제라고 부르고 알루미늄 기재 양쪽에 바르면 이것이 양극이 된다.

 

2. 양극 활물질

 양극의 특성을 나타내는 것은 활물질로 활물질에 따라 전자의 수가 결정되기 때문에 용량과 전압이 달라지게 된다. 리튬과 산소처럼 여러 물질들이 만나 무수한 활물질을 만들어 낼 수 있지만 지금 사용되고 있는 대표적인 활물질은 5가지이다.

 양극 활물질은 리튬과 금속 성분의 조합으로 구성되는데, Ni(니켈)은 고용량, Mn(망간)과 Co(코발트)는 안정성, AI(알루미늄)은 출력 특성을 향상시키는 등 금속의 종류와 비율에 따라 서로 다른 특성을 갖는다. 현재 전기자동차용 배터리 양극 소재로 주로 사용되는 물질은 NCA, NCM, LFP 등이 사용되고 있으며 이 중에서도 배터리의 에너지 밀도를 높이기 위해 니켈의 함량을 높이는 하이니켈 양극 소재의 개발이 주목받고 있다. 이는 전기자동차의 주행거리 확대를 위해 필요한 기술이다.

 

LCO: 리튬 코발트 산화물로 휴대용 전자기기인 스마트폰, 노트북 등에 많이 사용된다.

 

NCM: 현재 중대형 2차 전지에 가장 많이 사용되는 양극 활물질. 구성 성분은 LNCMO로 LCO에서 니켈(N)과 망간(M)이 추가된 소재로 에너지 밀도를 높이기 위해 니켈의 함량을 높이려는 노력을 하고 있고 이를 하이니켈이라고 부른다. ‘NCM 622’, ‘NCM 712’, ‘NCM 811’ 처럼 뒤에 따라오는 숫자의 의미는 Ni Co Mn의 성분 비를 말해준다.

 

NCA: 구성 성분은 LNCAO로 LCO에서 니켈(N)과 알루미늄(A)이 추가된 소재로 니켈의 함량을 높이고 알루미늄으로 출력을 높여주어 안정성 문제를 해결하기 위해 만들었다. 최근에는 LG 화학과 GM의 공동 개발로 NCMA(얼티엄)이라는 활물질을 이용해 전기자동차의 주행거리를 600km이상으로 높이고자 하는 시도가 있다.

 

LFP: LCO에서 코발트 대신 인산철을 활용해 만든 소재로 FPO라고도 불린다. 중국의 대표 배터리 회사 CATL은 Ni과 Co를 사용하지 않아 가격경쟁력을 갖추면서 낮은 기술력으로 안정성을 확보하기 좋아 LFP 개발에 주력하고 있다. 전기자동차용 배터리로 사용되지 않는 이유는 무게가 무겁고 전기 용량이 낮아 사용하지 않는데 이를 역이용해 중국 BYD 기업은 중대형 버스에 LFP 배터리를 활용해 전기차 버스를 생산하고 있다.

 

LMO: LCO에서 코발트 대신 망간을 넣은 소재로 가격 변동성이 심하고 공급안정성이 떨어지는 코발트의 단점을 보완하기 위해 개발했다. LFP 처럼 낮은 에너지 밀도로 전기자동차용 배터리로 적합하지 않다는 평가를 듣고 거의 사용되지 않는다.

 

3. 도전재

 높은 전기전도성을 가진 물체를 이용하며 배터리의 충전시간을 단축시키는 소재. 결정적으로 전자가 음극으로 이동할 수 있도록 도와주는 물질. CB 도전재와 CNT 도전재로 나뉘어 있지만 최근에는 CNT 도전재로 많이 사용하고 있는 추세.

 

4. 바인더

 활물질, 도전재가 알루미늄 기재에 잘 붙게 하는 역할을 수행하는 물질. 바인더는 용재계 바인더, 수계 바인더로 나뉘어 있는데 이 중 용제계 바인더 PVDF 소재가 가장 많이 사용되었고 최근에는 수계 바인더 SBR, CMC를 사용하기 시작했다. 배터리의 에너지 밀도를 높이기 위해서는 바인더의 함량을 줄여야 하는데 PVDF에는 한계가 있기 때문에 바꾼다고 함. 현재 우리나라에서는 전량 수입에 의존하고 있다. 양극에는 용제계 바인더 PVDF를 사용하고 용매로는 NMP를 사용.

 

4.1 분산용매

 바인더와 도전재를 알루미늄 기재에 잘 붙도록 해주는 슬러리화 액체.

 

5. 집전체

 양극 활물질과 음극 활물질이 적층 구조로 배터리 내에 삽입 되어지는데 이를 지지하기 위해 필요하고 두 극판의 화학물질이 만들어내는 전기에너지를 회로에 연결할 수 있도록 전기에너지의 전달을 담당.