이차전지의 구성 요소는 크게 양극재, 음극재, 전해액, 분리막입니다. 이중 양극재와 음극재는 배터리의 용량, 수명, 충전 속도를 좌우는 핵심 소재인데요, 이번 포스팅에서는 양극재의 역할과 분류 그리고 구조에 대해 정리해보았습니다.
목차
양극재의 역할과 각 원소의 특징
양극재의 분류
양극재 구조에 따른 구분
양극재의 역할과 각 원소의 특징
앞서 이야기한 것처럼 양극재는 배터리의 용량과 전압을 결정하는 핵심 소재로, 전기차용 이차전지 재료 중 원가의 약 30%를 차지 할 정도로 가격 비중도 높습니다. 양극재는 리튬과 금속 원소를 어떤 비율로 조합하는지에 따라 그 성능과 특성이 달라지는데요, 일반적으로 사용되는 소재의 요구 사항은 다음과 같습니다.
- 높은 전위차: 전지의 에너지와 전압은 두 전극 사이의 전위차로 결정되므로 음극 대비 높은 전위를 가져야 함
- 높은 전자 전도도 (이온 전도도): 배터리 충방전 시 이온의 화학반응이 원활하게 일어나기 위해서 높은 전도도가 요구됨
- 균일한 입자 사이즈: 입자의 크기가 전기 화학 반응에 영향을 미치고 비가역 용량의 원인이 될 수 있음, 또한 리튬 이온 결합과 분리 시 전극의 부피가 변하는데, 이 변화폭이 작을수록 전지가 더 안정적임
- 안정성: 배터리는 반복되는 화학 반응으로 작동하므로 화학적, 열적 안정성이 높아야 하며 충방전 시 전위가 급격하게 변하지 않고 평탄해야 함. 또한 전해질과 반응하지 않고 오로지 이온만 이동시켜야 함
- 사이클 효율: 충방전을 반복하더라도 용량이 초기에 비해 많이 손실되지 않아야 함
위의 요구 사항을 만족하는 소재 중 일반적으로 니켈, 코발트 등을 사용하고 있으며 각 원소가 가지는 특징은 아래와 같습니다.
- 니켈(Ni): 에너지 밀도
- 코발트(Co)와 망간(Mn): 안전성
- 알루미늄(Al): 배터리의 출력
예를 들어 전기차 주행거리, 배터리 용량을 늘리기 위해서는 에너지 밀도를 결정하는 니켈 비중을 높이면 됩니다.
양극재의 분류
양극재는 일반적으로 사용하는 전이 금속 원소의 갯수에 따라 일원계, 이원계, 삼원계~ 등으로 구분 하고 있습니다. 양극재 이름 또한 사용한 금속을 붙여 부르고 있죠. LFP(리튬 인산 철)의 경우, 이원계로 분류하기도 하지만 전이 금속 원소인 철(Fe)을 하나만 사용하므로 엄밀히 따지면 일원계가 맞습니다. 참고로 한국 배터리 제조사는 주로 NCM 삼원계를, 중국은 LFP 일원계 방식을 채택하고 있습니다.
양극재 구조에 따른 구분
양극재의 구조는 리튬 이온의 이동 경로와 금속 원소의 배열에 따라 따라 크게 층상(Layered), 스피넬(Spinel), 올리빈(Olivine) 나눌 수 있으며, 각 구조가 갖는 전기 전도성, 열적 및 화학적 안정성 등이 다르기 때문에 배터리의 용도와 요구 사항에 맞게 최적의 구조를 선택하는 것이 중요합니다.
- 층상(Layered): LCO, NCM, NCA 등
금속 산화물이 층을 이루고 그 사이에 리튬 이온이 위치하는 가장 직관적인 구조로 이 2차원 층 내부에서 리튬 이온이 이동하게 됩니다. 제조가 상대적으로 쉽고 높은 에너지 밀도와 빠른 충방전 등의 장점이 있으나 구조적 붕괴가 발생 할 수 있으며 발화를 일으킬 수 있다는 위험성도 있습니다. 따라서 Mn(망간)을 더해 구조적 안정성을 높이는 방식으로 사용하고 있습니다.
- 스피넬(Spinel): LMO
금속 산화물이 사면체와 팔면체로 구성된 3차원 구조로, 리튬 이온은 이 3차원 통로를 이동합니다. 구조적으로 안정성이 높고 3차원 경로로 리튬 이온 이동이 원활하여 충방전 속도도 빠르다는 장점이 있으나 장기간 사용 시 전기화학적 특성이 변하거나 사이클이 떨어지기도 합니다. (망간이 활물질 내에서 다른 조성과 구조를 만들 수 있기 때문)
- 올리빈(Olivine): LFP
사방정계(육면체) 형태로 리튬 이온은 1차원적으로 이동하며, 이 경로는 결정 축을 따라 형성됩니다. 결정 구조를 이루는 인(P)과 산소(O)이 매우 단단하게 결합되어 있고(인산염 결합) 리튬 이온 이동 시에도 잘 유지되어 높은 열적 및 화학적 안정성을 지니고 있으나 전기 전도성이 다른 활물질에 비해 상대적으로 낮다는 단점이 있습니다.
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