배터리의 4대 구조 - 양극재

안녕하세요~흥미롭고 재미있는 과학 흥. 재. 과입니다!

 

배터리 3사라고 하는 완성업체 외에도

배터리의 4대 구조(양극재, 음극재, 분리막, 전해액)

국내 제조 업체에 대한 관심도 많아졌습니다!

 

※ 양극활물질 : 에코프로비엠, 포스코케미컬, 코스모 신소재, 엘앤에프

※ 음극활물질 : LG화학, 포스코케미컬, SK머티리얼즈, 롯데그룹

※ 분리막 : WCP, SKIET

※ 전해액 : 엔켐, 동화일렉트로라이트

 

한국의 뛰어난 R&D와 공정기술로 점차 세계 경쟁력을 갖추고 있는데요!

오늘은 배터리 4대 구조 中 양극재에 대한 내용을 알아보겠습니다.

 

배터리의 구조 -출저(LG화학, IBK투자증권)

 

배터리의 4대 구조

 

1. 양극기재(Positive Electrode)

양극기재는 전자의 이동통로가 되며 양극 활물질을 입히기(코팅) 위한

양극박을 말하는 것입니다.

 

현재 리튬이온배터리에서 범용적으로 널리 쓰이고 있는 것은 알루미늄(Al) 박입니다.

알루미늄은 화학적으로 안정적인 소재이며, 무엇보다 우수한 전기 전도성을 가지고 있습니다!

 

즉, 전자가 저항의 영향을 덜 받고 효과적으로 이동하게 되는 것이죠!

또한, 상대적으로 저렴하며 산화막으로 덮혀져 있어 잘 부식되지 않습니다.

 

전체 배터리 원가 비중에서 약 2% 정도를 차지하지만,

양극박이 얇고 가벼울수록 배터리의 무게, 용량 등에서

경쟁력을 가지기에 최근 알루미늄박 제조업체에 관심 또한 증가하였습니다!

 

※ 국내 알루미늄박 제조업체 :  조일알루미늄, 삼아알루미늄, 동원시스템즈, DI동일

 

하지만 너무 얇게 만드는 것은 배터리 제조 시 안정성의 문제가 있기에

밀도와 안정성을 높이는 표면 균일성이 중요하고

배터리 형태별 품질 최적화가 중요합니다!

 

양극박(Al) 생산

 

2. 양극 활물질(Cathode Active Material)

배터리 원가의 무려 40%를 차지하고 

배터리 소재 업계 중 가장 큰 시장을 가지고 있습니다!

 

이 양극활물질에 따라 배터리의 용량 및 성능이 결정된다고 해도 과언이 아닌데요!

여러 원료(Chemical)를 혼합하여 까만 분체처럼 나오는 것이 제품의 특징입니다.

 

배터리의 핵심 소재인 만큼 활물질의 종류와 특성 또한 다양한데요!

배터리의 용량과 안정성은 아래 그림과 같이 이러한 활물질의 구조 특성에 기인합니다.

현재 시장에서 가장 많이 쓰이는 활물질 두 가지를 알아보겠습니다.

 

알루미늄박에 코팅 되는 양극 활물질

 

LFP(LiFePO4) : 리튬인산철 양극 활물질

 

LFP의 최대 장점은 안정성입니다. 

LFP가 다른 삼/사원계열 활물질보다 안정적인 이유는 근본적인 구조 자체가 매우 안정적입니다.

올리빈 구조라고 하며 리튬이온이 들어갈 수 있는 공간 자체는 상대적으로 작습니다.

 

격자형태의 구조는 과충전, 과방전 상태에서 열 발생을 억제하며 충격에 영향을 덜 받습니다.

또한, 인산(PO4) 음이온은 산소를 잘 방출하지 않기에

열적 안정성이 높아 발화성을 차단할 수 있습니다.

 

LFP의 최대 단점은 에너지 밀도가 상대적으로 낮다는 것입니다.

올리빈 구조는 리튬이온이 효과적으로 출입할 수 있는 구조가 아니며,

강한 이온 결합력으로 인해 낮은 전기 전도도를 보입니다.

(전기 전도도가 낮다 = 배터리의 출력 속도가 낮다)

 

이러한 LFP의 양극 활물질의 개발은 중국에서 활발히 이루어졌습니다.

안전문제와 가성비를 중시하는 중국에서 LFP 배터리는 적합한 양극 활물질이었습니다.

반응형

※ 중국 LFP 활물질 제조기업 : CATL, BYD

 

CATL에서도 LFP의 단점을 명확하게 알고 있고

최근 기사에 따르면, '션싱'이라는 LFP배터리를 선보이며

1회 충전 시 200km를 상회하던 주행거리를 최대 700km까지 가능하다고 소개했습니다.

아직 데이터가 부족하기에 더욱 지켜봐야 하지만 만약 사실이라면

배터리 업계에서 LFP는 더욱 경쟁력을 갖출 것이라 생각됩니다!

 

양극 활물질의 결정 구조 - 출저(MPDI)

 

삼원계 or 사원계(NCM, NCA, NCMA) : 니켈코발트망간(알루미늄) 배터리

 

삼원계 배터리는 LFP의 특성과 상반되는 성능을 가졌습니다.

 

삼/사원계의 최대 장점은 높은 용량과 성능입니다.

니켈은 에너지 밀도, 코발트-망간은 배터리의 안정성, 알루미늄은 출력에 주로 기인하고 있습니다.

 

층상구조 형태를 띠며 올리빈 구조와는 다르게 넓고 평평한 층이 있습니다.

이 층과 층 사이로 많은 리튬이온의 이동이 가능하죠!

 

삼/사원계의 최대 단점은 안정성입니다.

삼원계든 사원계든 공통적으로 니켈 금속을 메인으로 쓰게 되는데

충전과 방전을 반복할 경우 층상구조 내 잔류물이 남게 됩니다.

이는 니켈과 리튬의 이온반지름이 유사하기 때문에 나타나는 현상인데요.

이러한 잔류물들이 부식을 일으키며 배터리의 수명과 안정성을 떨어트립니다.

 

이러한 단점을 극복하기 위해서 안정성 강화를 위한 노력 중 하나가 바로 사원계 활물질이죠.

특히 NCMA는 각 원소 간의 장점을 최대한 활용하여 높은 출력과 안정성을 잡고

비싼 코발트의 함량을 상대적으로 줄여 가격경쟁력 또한 갖추려 노력하고 있습니다.

 

이외에도 다양한 종류의 양극 활물질이 있지만

오늘은 대표적인 두 가지 양극재에 대해 알아보았습니다!

 

미래에는 더 안전하고 효율적인 양극재 기술이 개발되어

K-배터리가 글로벌 전기차 시장에서 돋보적인 역할을 할 것이라 기대됩니다.

 

이상 흥. 재. 과. 였습니다!

 

혹시 배터리에 대해 궁금하신가요???

 

그렇다면 링크 클릭! 

↓↓↓

[배터리란(1차 전지, 2차 전지)?]

https://jungjr95.tistory.com/44

배터리란(1차전지, 2차전지)?