전기차 원리 세상에서 제일 쉽게 알아보기(2)
리튬이온배터리의 핵심인 양극재와 음극재
안녕하세요 영어 논문 해석하고 정리하는 Summer입니다.
저번 글을 이어 전기차 관련 두 번째 글인데요, 저번 글에서는 전기차의 부품과 충전방식에 대해 알아봤죠? 이번 글에서는 전기차를 움직이는 리튬이온배터리와 그 중에서도 핵심 부품인 양극재와 음극재에 대해 알아보도록 하겠습니다.
지난 글
1. 리튬이온배터리의 구조
2. 양극재
3. 음극재
1. 리튬이온배터리의 구조
리튬이온배터리는 크게 전해질, 분리막, 양극재, 음극재 4가지로 나뉘어져있습니다.
리튬이온배터리의 구조와 작동 원리 / 출처 : Posco Newsroom배터리의 작동 방식은 다음과 같습니다. 리튬이온이 +극에서부터 분리막을 넘어 -극으로 가면 '충전',
반대로 리튬이온이 -극에서부터 분리막을 넘어 +극으로 갈 때 '방전'된다고 합니다.
여기서 양극재와 음극재는 배터리의 성능을 결정하는 중요한 요소인데요, 하나하나 살펴보도록 하겠습니다.
2. 양극재
+극을 이루는 양극재는 배터리의 '용량'과 '전압'을 결정하는 핵심 소재인데요, 이 양극재는 주로 LCO(리튬코발트산화물)을 기본으로 서로 다른 세 개의 원소가 어우러진 삼원계배터리의 형태가 일반적입니다.
잠깐, 여기서 왜 그냥 리튬이 아니고 리튬코발트산화물일까요? 바로 리튬은 불안정한 원소 상태이기 때문에 다른 금속 원소들과 결합해 리튬금속산화물 형태로 존재하기 때문입니다.
다시 돌아와, 대표적인 삼원계 배터리로는 NCM,NCA 그리고 NCMA가 있습니다.
NCM은 LCO(리튬코발트산화물)에 Ni(니켈)과 Mn(망가니즈)가 결합된 양극재입니다.
니켈:코발트:망가니즈가 1:1:1 비율로 구성되어 있고 현재 전기차 배터리 시장에서 가장 많이 사용되는 양극재입니다.
NCA는 LCO(리튬코발트산화물)에 Ni(니켈)과 Al(알루미늄) 원소로 이뤄진 양극재입니다.
니켈:코발트:알루미늄이 8:1:1 비율로 구성되어있습니다.
이 쯤에서 Ni, Co, Mn, Al 원소들의 특성을 알아보겠습니다.
출처 : Posco Newsroom위의 사진과 같이 니켈은 에너지 밀도에 기여하며 코발트,망간은 안정성, 알루미늄은 출력 성능과 안정성에 중요한 역할을 합니다. 따라서 니켈 비율을 높일 수록 에너지 밀도가 커지며 주행거리가 길어지고, 코발트와 망간의 비율을 높일 수록 안정적인 배터리가 되며 알루미늄의 비율을 높이면 출력이 좋아집니다.
여기서 에너지 밀도가 높다는 말은 많은 에너지를 가지고 있다는 것을 뜻하며, 출력이 높다는 것은 짧은 시간 내에 강한 힘을 낼 수 있다는 것입니다. \
NCM과 NCA 배터리의 성능 비교 / 이미지 출처: Posco Newsroom 즉 NCM은 모든 원소가 균일하게 섞여 에너지 밀도도 높고 안정적이며, NCA는 니켈 함유량이 높아 에너지 밀도가 높지만 수명이 짧고 안정성이 떨어진다는 단점이 있습니다. 따라서 NCA는 주로 원통형 배터리와 같은 소형 전지에 사용되고 있습니다. 그럼에도 불구하고 현재 국내 배터리 제조기업들은 NCM과 NCA 삼원계 배터리 제조에 주력하고 있으며 안정성을 더욱 높이기 위해 한 가지의 원소를 더 추가한 사원계 배터리, 그 중에서도 NCMA 배터리에도 주목하고 있습니다.
NCMA 양극재는 Ni(니켈), Co(코발트), 망가니즈(Mn)로 구성된 NCM 양극재에 Al(알루미늄)을 추가한 조합입니다. 이 NCMA 양극재는 니켈의 비중을 높이고 원자재 가격이 비싼 코발트 함량을 상대적으로 줄여 제조 원가를 낮출 수 있으며 다양한 배터리 형태로 제작할 수 있어 활용 범위 또한 넓습니다.
이처럼 최근에는 급등하는 원자재 가격에 대응하기 위해 니켈의 함량을 높이고 비싼 코발트 함량을 줄인 리튬이온배터리 개발에 주력하고 있는데요, 보통 60% 이상의 니켈 비율을 가진 배터리를 '하이니켈'이라고 부릅니다.
3. 음극재
이미지 출처 : 삼성 SDI양극재가 '용량'과 '전압'을 결정하는 중요한 요소였다면, 음극재는 '수명'에 가장 중요한 역할을 합니다. 음극 소재로 가장 많이 사용되는 것은 흑연(Graphite)인데요, 흑연은 탄소가 아주 규칙적인 구조 결합해 여러 겹 쌓인 층구조로 그 사이사이에 리튬이온이 저장되어 배터리가 충전됩니다. 리튬이온배터리는 계속해서 충방전이 가능하지만 사용함에 따라 열화되어 구조가 무너져 배터리의 수명이 줄어들게 됩니다. 이처럼 음극의 부피 변화는 자연스러운 현상이며 안정성에 문제가 있는 것은 아니지만, 그만큼 사용시간이 줄어들게 되지요.
이미지 출처 : 삼성 SDI 음극 소재로는 흑연이 가장 많이 사용되며 그 뒤를 잇는 소재는 바로 실리콘입니다. 실리콘은 흑연에 비해 에너지 밀도가 약 10배 높고 충방전 속도가 빠르기 때문에 흑연보다 많은 리튬이온을 빨리 저장할 수 있습니다. 하지만 치명적인 단점은 바로 팽창인데요, 리튬이온이 들어갔을 때 흑연은 10% 팽창하는 데에 반해 실리콘은 약 400% 정도 팽창합니다. 에너지 밀도가 큰 것이 장점이기 때문에 연구진들은 실리콘의 불안정한 구조를 안정시키는 데에 주력하고 있습니다.
배터리를 만드는 기업인 삼성SDI는 독자 특허를 보유한 실리콘 음극 소재인 SCN( Si-Carbon - Nanocomposite )를 개발해 상용화 했다고 하는데요, 이는 실리콘을 아주 작게 나노화 한 후 흑연과 혼합해 하나의 물질처럼 복합화한 소재입니다. 이처럼 서로의 장점을 살리는 소재 또한 활발히 출시되고 있습니다.
오늘은 이렇게 리튬이온배터리의 구조와 그 중 가장 중요한 양극재와 음극재에 대해 알아봤습니다. 이 정도만 이해하셔도 전기차 관련한 기사나 뉴스를 접할 때 이해하기 수월하실 거라고 생각합니다.
다음 마지막 글에서는 현재 전기차 시장의 동향과 발전 수준 그리고 사람들이 전기차에 대해 어떻게 생각하는지 등에 대해 알아보며 전기차 시리즈를 마무리해보겠습니다.
긴 글 읽어주셔서 감사합니다 : )
#센스윅 #Sensewick
[참고]
Battery Inside https://inside.lgensol.com/2023/06/%ec%9d%b8%ed%8f%ac%ea%b7%b8%eb%9e%98%ed%94%bd12-%ec%9d%8c%ea%b7%b9%ec%9e%ac/
삼성SDI 칼럼 https://www.samsungsdi.co.kr/column/all/detail/56501.html
