이차전지 핵심소재 음극재 알아보기, 음극재의 역할과 특징 그리고 종류

 

 

 

 

 

 

이차전지의 핵심소재인 음극재의 역할과 주요 특징 그리고 종류에 대해 알아봅시다.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

이차전지에서 음극재의 역할

 

 

 

 음극재는 2차 전지(특히 리튬이온 배터리)에서 리튬 이온을 저장하고 방출하는 역할을 하는 핵심 소재입니다. 배터리 충전 시에는 이온이 음극으로 이동하여 저장되며, 방전 시에는 음극에서 이온이 방출되어 전류가 생성됩니다. 음극재의 성능은 배터리의 에너지 밀도, 충방전 속도, 수명, 안정성에 직결되며, 배터리 전체 성능을 좌우합니다. 


- 이온 저장 및 방출 
음극재는 충전 시 리튬 이온을 수용하고 방전 시 방출하여 배터리의 에너지 저장 및 출력을 수행합니다. 리튬 이온 배터리의 충방전은 전극 간 리튬 이온 이동과 관련된 산화-환원 반응에 기반하며, 대부분의 음극재는 리튬 이온을 저장할 수 있는 층상 구조(흑연)나 다공성 구조(실리콘 복합체 등)를 가집니다. 이러한 구조는 리튬 이온이 삽입되고 제거되는 과정을 반복 가능하게 합니다.


- 전기적 전도성 제공
음극재는 전자를 외부 회로로 전달하여 전류를 생성합니다. 금속적 혹은 준금속적 성질을 지닌 재료로 구성되어 전자의 자유 이동을 허용하기 때문이죠. (ex 흑연의 π-결합 전자 구조) 전기적 전도성이 낮은 음극재는 충방전 효율이 떨어지고 열 발생이 증가하여 안정성이 저하될 수 있습니다.


- SEI(Solid Electrolyte Interphase) 계면 형성에 따른 전극 안정화
음극 표면에 이온 전도성을 지닌 동시에 전자 전도성을 차단하는 SEI(Solid Electrolyte Interphase)가 형성되어 전극 안정성을 보장합니다. SEI는 배터리 제조 후 처음으로 충전할 때 리튬 이온이 음극으로 이동하면서, 전해질에 있던 물질들이 화학 반응을 일으켜 음극재 표면에 생기는 얇은 고체막입니다. SEI는 초기 형성 과정에서 전해질을 소모하지만 (용량 손실), 전해질의 추가 분해 반응을 방지하고 리튬 이온만이 전해질을 이동할 수 있도록 하여 안정성을 유지하고 반복 충방전 시 전극 부식이나 손상을 방지하는 것이죠.

 

 

 

 

 

 

 

음극재의 요구 조건

 

 

 

 

 

 

 양극재와 마찬가지로 음극재 또한 배터리의 성능과 직접적인 영향이 있기 때문에, 음극재로 사용되는 소재는 아래와 같은 성질을 가져야 합니다. 

 

 

- 높은 에너지 저장 및 충방전 성능
음극재는 배터리의 에너지 밀도와 충방전 효율을 결정 합니다. 높은 용량을 가지는 음극재는 더 많은 리튬 이온을 저장할 수 있어 배터리의 저장 용량을 향상 시킵니다. 또한 리튬 이온이 삽입(충전)되고 탈리(방전)되는 반복적인 과정에서도 효율을 유지할 수 있어야 하며 이를 통해 전기차의 긴 주행거리와 높은 출력 특성을 제공합니다.

 

 

- 구조적 안정성과 긴 싸이클 수명
음극재는 구조적으로 안정적이어야 합니다. 충방전 시 리튬 이온의 삽입과 탈리로 인해 부피 변화가 발생하는데, 이때 구조가 불안정하면 균열, 분리, 또는 입자 간 전기적 접촉 손실이 일어나 전도도 감소와 용량 저하를 유발할 수 있습니다. 따라서 음극재는 반복적인 부피 팽창 및 축소를 견딜 수 있는 구조적 안정성을 갖춰야 하며, 이를 위해 충분한 강도와 탄성을 가진 소재를 사용하거나 응력 분산이 가능하도록 설계 합니다.

 

 

 

- 우수한 전도성과 리튬 이온 확산 특성
음극재의 전도성은 배터리의 충방전 속도와 효율에 직접적인 영향을 미칩니다. 충방전 시 음극재 내부에서 전자가 이동하는데, 전도성이 낮으면 전자 이동 경로가 길어져 내부 저항이 증가하고 출력 특성이 저하됩니다. 특히, 고출력 응용(예: 전기차 가속)에서 높은 전도성은 필수적이며, 전도성이 부족하면 국부적 과열이 발생하여 안정성 문제를 유발할 수 있습니다. 또한 리튬 이온의 확산은 용량 유지율을 결정하는 주요 요소인데요, 확산 저항이 높을 경우 싸이클 성능이 저하됩니다. 따라서 음극재는 우수한 전도성을 가지고 전자와 리튬 이온이 효율적으로 이동 할 수 있어야 합니다. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

음극재로 사용하는 소재

 

 

 

 

 

 

 

 

음극재로 사용하되는 소재의 종류는 다음과 같습니다.

 

 

현재 상용회된 리튬 이온 배터리에서는 흑연이 가장 많이 사용되고 있으나, 
전기차의 고성능화에 따라 실리콘 등 다른 소재도 주목을 받고 있습니다.
양극재 만큼 흑연계와 실리콘 음극재 시장도 꾸준히 성장할 것으로 예상됩니다.

 

 

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이차전지 핵심소재 양극재 알아보기, 양극재의 분류 및 구조에 따른 구분

 

 

배터리 이차전지 양극재 종류 및 특징 비교 (LMO, LFP, NCM, NCA, NCMA)