2차전지소재

□ 2차 전지 작동원리 및 구성

 이차전지는 리튬 온이 양극과 음극 사이를 이동하면서 전기를 발생시키는 원리로 작동합니다. 양극의 리튬 이온이 음극으로 이동하면 배터리가 충전되고, 반대로 음극의 리튬 이온이 양극으로 돌아가면 배터리가 방전되는 원리입니다.

 

 이차전지는 양극재, 음극재, 전해액, 분리막의 4대 요소로 이루어집니다.

□ 2차 전지 소재

  1. 양극재

  배터리의 (+) 극을 이루는 소재 (양극)를 말하며 리튬이온배터리에서 리튬소스역할을 하는 에너지원으로 용량과 평균 전압을 결정합니다. 전기 자동차의 가장 핵심 성능인 주행거리는 탑재된 에너지밀도에 의해 결정되는데 이것이 양극재의 가용 용량과 직결되어 있습니다. 전기차 및 에너지 저장 시스템 등의 수요가 급성장함에 따라 연평균 33%  증가해 2025년에는 275만톤 규모로 성장 할 전망입니다.

 

   - 리튬이온배터리 원가 구성 : 양극재 (40 ~ 45%) 

   - 양극제 업체 : 포스코퓨처엠, 에코프로비엠, LG화학 등

   - 양극재 소재에 따른 배터링 특성

      a. NCM (니켈-코발트-망간) : 에너지밀도가 높아 주행거리가 길고 배터리 성능이 안정적

      b. NCA ( 니켈-코발트-알루미늄) : 높은 에너지밀도로 주행거리가 길고 출력이 좋으나, 수명이 짧고 열 안정성이 떨어짐

      c. LFP (리튬-인산-철) : 저렴한 가격과 높은 안정성에 비해 낮은 에너지밀도로 주행거리가 짧고 무거음

 

 국내 전기자 배터리 사업자들은 NCM, NCA 두 종류의 삼원계 배터리를 주력하고 하고 있습니다. 그 중에서도 주행거리와 출력이 우수한 NCM 양극재가 가장 많이 사용되고 있습니다.

 

 최근 원자재 가격의 변동에 따라 비싼 코발트 함량을 줄이고, 니켈의 함량을 60% 이상으로 높인 '하이니켈 배터리'가 개발되는 추세입니다. 니켈 비중을 높이면 동일한 크기의 배터리에 용량을 높여, 주행거리를 확보할 수 있는 장점이 있으나, 니켈 함량이 높아질수록 안정성이 떨어지는 단점이 있어, 기술개발이 요구되고 있습니다.

 

  2. 음극재

  음극재는 양극에서 나온 리튬 이온을 저장 및 방출하여 외부 회로를 통해 전류가 흐르게 하는 역할을 합니다. 음극재는 많은 이온을 안정적으로 저장 할 수 있는 흑연을 주로 사용합니다. 하지만 리튬 이온을 저장하고 방출하는 과정이 반복될 수 록 흑연의 구조가 변화하여 저장 할 수 있는 이온의 양이 줄어들게 됩니다. 이로 인해 배터리의 수명이 줄어들게 됩니다.

 

  용량이 크고 충전속도를 빠르게 할 수 있는 실리콘 음극재 등 차세대 음극재 개발이 활발하게 진행되고 있습니다.

 

  3. 분리막

   분리막은 양극과 음극의 물리적 접촉을 차단하는 역할을 합니다. 분리막에는 미세한 구멍이 있어 리튬이온이 이동할 수 있도록 되어 있습니다. 양극과 음극 간의 접촉은 막고 이온은 이동이 가능하게 합니다. 전체에서 비중이 11~13%정도입니다.

  

   분리막은 안전을 위해 높은 전기절연성과 열 안정성이 요구됩니다. 일정 이상의 온도에서는 자동으로 이온의 이동을 막는 기능도 갖춰야합니다. 분리막에는 폴리에틸렌과 폴리프로필렌이 널리 쓰이고 있습니다.

 

  대표적인 기업으로는 SK 아이이테크놀로지, 더블유씨피가 있습니다.

  4. 전해질

  전해질은 배터리 내부의 양극과 음극 사이에서 리튬 이온이 원할하게 이동하도록 돕는 매개체입니다. 전해질은 리튬 이온의 원할한 이동을 위해 이온 전도도가 높은 물질이어야합니다. 그리고 안전을 위해 전기화학적 안전성 및 발화점이 높아야 합니다. 현재는 최선의 선택으로 액체 전해질이 널리 사용되고 있으나, 안전성과 성능이 뛰어난 고체나 젤 형태 전해질에 대한 연구도 활발히 진행되고 있습니다.

 

 

 

2024.01.15 - [2차전지] - 리튬이온전지의 역사

리튬이온전지의 역사