배터리 4대 구조 - 음극재

안녕하세요~흥미롭고 재미있는 과학 흥. 재. 과입니다!

 

저번 포스팅에서 전자를 방출하고 용량을 결정하는 양극재에 대해 알아보았는데요.

 

음극재는 양극재에서 나온 리튬이온 전자를 저장하고(충전)

다시 전자를 양극재에게 돌려주는(방전) 과정을 거치며

화학에너지가 전기에너지로 전환되는 것입니다.

 

양극재와 음극재는 서로 종속적인 관계를 가지며

마치 열쇠와 자물쇠 같이 원활한 상호 협력관계를 통해

전력을 생산하는 것이죠.

 

오늘은 음극재에 대해 알아보겠습니다!

 

초극극 동박

 

음극재

1. 음극기재(Negative Electrode)

음극기재 또한 양극기재와 마찬가지로 전자를 이동시키는 통로이며

배터리에서 나오는 열을 외부로 방출하는 역할을 합니다.

 

현재 리튬이온배터리에서 쓰이는 음극기재는 대부분 동박(Cu)입니다.

동박은 전기 전도성이 매우 우수한 금속이기에 2차 전지뿐만 아니라

이미 PCB(인쇄회로기판), 반도체, 전선 등 산업 전반에 걸쳐서

널리 활용되고 있습니다!

 

※ 전기 전도성 순위 : 은> 구리> 금> 알루미늄 > 마그네슘 > 아연> 니켈 > 철> 납

 

배터리 내의 원가 비중은 약 5~7%로 알루미늄(2~3%)보다는 큰 비중을 차지하며,

배터리 구조상 무게가 상당히 무거운 편이기에 많은 배터리 제조사들은

최대한 얇고 가벼운 동박을 선호합니다.

 

최근 기사에 따르면 이 동박의 두께를 무려 4μm(마이크로미터)로 생산하여

머리카락의 약 1/30 정도의 굵기로 초극박 동박을 양산하는 데 성공하였습니다!

 

※ 동박 제조업체 : SK넥실리스, 일진머티리얼즈, 두산솔루즈

 

2. 음극 활물질

배터리 원가 중 약 12~15% 정도의 비중을 가지고 있고

양극재 산업보다는 작지만 여전히 큰 시장 중 하나입니다!

 

앞서 말했듯 음극 활물질은 리튬이온을 저장하고 다시 방출하는 역할을 합니다.

따라서 얼마나 많은 양의 리튬이온을 저장할 수 있는 공간이 음극 활물질의 Key입니다!

 

오늘은 가장 수요 잠재력이 높은 두 가지 음극 활물질에 대해 알아보겠습니다.

 

흑연의 구조 - 출저(대한민국 특허청)

 

인조 흑연

흑연은 탄소 원자 6개가 육각형 모양으로 결합한 구조를 가지고 있습니다.

이러한 평면 육각 구조가 여러 층으로 겹겹이 쌓인 형태를 가지고 있죠.

 

이러한 구조로 인해 층간 구조 사이에 양극재에서 나오는 리튬이온을 저장하고,

충전 및 방전 과정을 가능하게 합니다!

 

광산에서 흑연을 채굴 및 정제 이후 공정에 맞게 쓰는 것인데 저렴함이 장점이긴 하나

자연에서 일정하지 않은 구조를 가지다 보니 불안정한 표면과 분해로 인해

배터리 성능과 품질에도 영향을 끼칩니다.

 

이를 보완하기 위해 만든 소재가 바로 인조 흑연입니다!

실제 흑연이 아닌 콜타르라는 원료를 사용하여 흑연의 결정구조를 만드는 것이죠!

 

※ 콜타르 : 철강 산업에 사용되는 코크스를 제조 시 발생되는 부산물

 

인조 흑연은 일관성 있는 품질뿐만 아니라

천연 흑연보다 효율적인 리튬이온의 이동, 높은 에너지 밀도로 인해

음극재로서 적합한 활물질로 평가받고 있습니다!

 

※ 국내 인조 흑연 제조업체 : 포스코퓨처엠, 태경비케이

 

왼쪽 : 흑연의 결정 구조 / 오른쪽 : 실리콘 음극재의 결정 구조(출저

 

실리콘(SiOx)

실리콘 음극재는 천연 흑연과 인조흑연처럼 100% 음극활물질로 쓰이기에는

아직 무리가 있는 소재입니다.

 

그럼에도 불구하고 각광받으며 차세대 음극재라고 불리는 이유는

흑연보다 무려 10배가량 많은 리튬이온전자를 저장할 수 있기 때문입니다!

 

그 이유는 위 그림처럼 흑연의 경우 탄소 원자 6개당 하나의 리튬이온을 저장할 수 있지만,

실리콘의 경우 원자 4개당 리튬이온 15개를 저장할 수 있습니다!

 

하지만 실리콘 음극재의 경우 충/방전을 거치면서 부피가 늘어나는 

스웰링(Swelling) 현상이 기존 흑연에 비해 4배 이상 심하다는 단점이 있습니다.

이러한 스웰링 현상으로 인해 배터리의 수명을 단축시키는 것이죠.

 

따라서 현재는 기존 천연/인조 흑연 음극재에 소량(약 4~5%) 첨가하는 방식이지만,

스웰링 현상을 최소화하여 점차 그 양을 늘려나가는 것에 귀추가 주목되고 있습니다!

 

※ 실리콘 음극재 개발 업체 : 포스코퓨처엠

 

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음극재 또한 배터리의 성능과 수명에 결정적인 영향을 미치는 소재이지만,

안타깝게도 글로벌 시장에서 중국이 무려 70%를 차지할 정도로

배터리 제조 시에도 중국의 의존도가 높은 분야입니다!

 

하지만 인조흑연, 실리콘 음극재 등 기술 진입 장벽이 높은 만큼

국내 업체의 음극재도 경쟁력을 갖출 것이라 기대됩니다!

 

이상 흥. 재. 과. 였습니다!