[2차전지] 리튬이온 배터리 기본 구조와 4대 소재 기술 발전 총망라
하이투자증권_정원석, 정민석_2차전지_200708
'3가지 마법의 가루(첨가제)'
1. 리튬이온 배터리의 기본 구조
리튬 배터리는 양극(+)과 음극(-) 간 리튬이온의 이동을 통해 화학 에너지를 변환해 전기에너지를 만들어내는 장치이다.
리튬 배터리를 이루는 4대 구성요소는 양극, 음극, 분리막, 전해액이다.
↓각 요소의 기능 설명
양극은 리튬과 산소가 만난 리튬 산화물(Li+O)로 구성되어 있다. 충전 시에는 양극을 이루는 물질 중에서 리튬이온만 빠져나와서 음극으로 이동한다.
반면 음극은 양극에서 나온 리튬이온을 저장, 보관하는 환원 반응을 보였다가 방전 시 리튬이 리튬이온으로 산화되어 빠져나오면서 외부 회로를 통해 전류가 흐르게 된다.
배터리의 양극과 음극 사이에는 분리막이 있다. 분리막은 미세한 구멍이 있어 리튬이온이 양극과 음극을 오갈 수 있게 한다. 또한, 폭발 방지를 위해 양극과 음극의 물리적 접촉을 막는 격리막 역할도 하게 된다.
마지막으로 전해액은 양극과 음극 간의 이온 이동을 가능케 하는 중간 매개체로 리튬이온의 원활한 이동을 돕는 역할을 한다.
① 양극
양극은 [양극재 + 도전재 + 바인더](=합제) + 양극판(알루미늄박)으로 구성된다,
양극재는 양극활물질로 우리가 아는 니켈, 리튬, 코발트 등이 여기 들어간다.
도전재는 양극, 음극 내 전자 이동을 촉진시키는 역할을 한다.
바인더는 합제를 알루미늄박에 붙이고 지지해주는 역할을 한다.
→ 여기서 양극재가 배터리의 용량과 평균 전압을 결정한다.
양극재는 구성성분에 따라 크게 LCO, NCM, NCA, LMO, LFP로 구분된다. NCA배터리, LFP배터리 등과 같이 양극재의 종류에 따라 배터리 이름을 붙이는 경우가 많으며, 여기서 L은 리튬, C는 코발트, N은 니켈, A는 알루미늄, M은 망간, F는 철을 뜻한다. NCM622, NCM811라고 이름 붙여져 있으면 이때, 숫자는 각 성분의 구성 비율이다. N, C, M이 6:2:2로 이루어져 있다 이런 뜻이다.
양극재는 결정격자구조에 따라 1) 층상, 2) 스피넬, 3) 올리빈 구조로 나뉜다.
1) 층상 구조로는 LCO, NCM, NCA가 속한다.
넓고 평평한 층간 사이에 많은 양의 리튬이온을 보관할 수 있어 에너지 용량이 높은 장점이 있는 반면 고전압 충전 시 안정성이 떨어지는 단점이 있다.
2) 스피넬 구조로는 LMO가 있다.
코발트를 사용하지 않기 때문에 가격이 낮고 격자 구조가 입체적 형태를 가져 안정성이 우수하다. 그러나 에너지 용량이 적고 충방전이 계속될수록 용량 및 수명이 저하되는 문제점이 있다.
3) 올리빈 구조엔 LFP가 있다.
육면체 형태로 되어있어 안정성이 높고, 코발트 대신 저가의 철을 사용해서 가격이 싸다. 그러나 LFP의 동작 전압은 다른 리튬이온 전지보다 낮아 상대적으로 에너지 밀도가 낮다.
<향후 양극 소재의 발전 방향>
▶ 어떻게든 배터리 '에너지 밀도'를 높이려고 하고 있다.
그 방법으로 2가지,
① High-Nickel 양극재 개발 (ex. NCM811, NCA)
② 도전재 : 기존 Carbon black → CNT(탄소 나노튜브)로 대체
① : 양극재에서 니켈의 비중을 지속적으로 늘리고 있다. 니켈은 배터리의 에너지 밀도를 높여준다. 많이 넣으면 넣을수록 에너지 밀도가 높아지는데, 그러면 전기차 주행 거리가 늘어나고 용량당 판가를 낮춰 가격 경쟁력을 높일 수 있다. 허나, 니켈 비중을 높이면 안정성이 떨어지는 문제가 있다. 기존의 LFP, LMO에서 니켈 비중을 높인 NCM 배터리로, 또 NCM 중에서도 NCM622에서 더 나아가 NCM811, NCM9(1/2)(1/2)로 니켈 함량을 계속 높이고 있고 최근엔 NCA, NCMA 배터리를 개발하여 니켈 비중을 80~90% 까지 올리는 '하이 니켈' 배터리를 만들고 있다.
② 주로 카본블랙이 쓰이던 기존에 양극 도전재에 CNT와 같은 다양한 탄소 재료가 개발·적용 중이다. CNT(탄소 나노튜브)를 사용 시 카본블랙에 비해 훨씬 적은 양으로도 양극재 입자를 더 효과적으로 연결시킬 수 있어서 사용량을 1/5 수준으로 줄일 수 있다. 따라서 동일 부피 내에서 도전재, 바인더 사용량을 줄이고 NCM, NCA와 같은 양극활 물질(양극재)을 더 많이 투입할 수 있기 때문에 배터리 에너지 밀도를 높일 수 있으며 이는 곧 생산 원가 절감에 도움을 준다.
② 음극
음극은 양극과 구조가 똑같다. [음극재 + 도전재 + 바인더](=합제) + 음극판(구리박) 이루어지며,
차이는 양극재 대신 음극재, 알루미늄 양극판 대신 구리 음극판이 쓰인다는 것이다.
음극은 양극에서 나온 리튬 이온을 받아주는 역할을 하기 때문에, 양극재에서 높은 에너지를 생성하더라고 이를 저장하는 장소인 음극재가 균형이 받쳐주지 못하면 전지의 효율성이 떨어진다. 따라서, 양극재가 발전할수록 음극재의 변화도 필수적이다.
특히, 충전 시 음극재가 리튬이온을 더 잘 받아들일 수 있어야 충전 시간도 짧아질 수 있다.
→ 양극재 기술 발전은 에너지 밀도에 향상에 , 음극재 기술 발전은 충전 시간 단축에 초점이 맞춰져 있다.
음극활물질엔 오래전부터 지금까지 꾸준하게 흑연이 가장 많이 사용되었다. 최근 배터리 업계는 고용량 배터리를 향한 시대적 요구에 맞춰 차세대 음극활 소재 개발이 진행되고 있고, 흑연의 뒤를 이을 소재로 손꼽히는 것이 실리콘(Si)이다. 실리콘은 흑연보다 훨씬 효율적인 결정 구조를 갖고 있어 에너지 밀도가 흑연보다 10배 이상 크다.
<향후 음극 소재의 발전 방향>
▶ 에너지 밀도 향상과 충전 시간 단축을 꾀하고 있다.
① 실리콘(Si) 음극활 물질 첨가
② Si의 팽창 문제를 보완해주기 위해 CNT 도전재 사용
앞서 말했듯, 음극활 물질로 흑연 대신 실리콘을 사용하게 되면 에너지 밀도가 높아지고, 그로 인해 충전 시간이 단축된다.
실리콘이 흑연보다 장점밖에 없다면 누구나 흑연 대신 실리콘을 사용할 터다. 허나, 실리콘은 장점을 상쇄할 만큼 치명적인 단점이 존재한다.
첫째는 구조적 안정성의 문제로, 리튬 이온이 실리콘에 저장될 때마다 음극의 부피가 커지는 현상(리튬화)이 발생해 몇 번 충방전을 반복하다 보면 전지의 급격한 에너지 용량 감소가 발생하고 수명이 짧아지게 된다.
둘째, 음극재의 계면 상태 변화가 발생해 효율이 빠르게 감소된다. 앞서 말한 실리콘의 팽창 문제로 음극재 표면에 형성되는 보호막인 SEI층이 쉽게 파괴되는데, 이게 파괴됐다가 전해질에 의해 다시 생성되고 다시 파괴되고를 반복하면서 SEI층이 두꺼워진다. SEI층이 두꺼워지면서 리튬 충방전이 잘 안되어 배터리 수명을 단축시키는 문제가 발생한다.
이를 해. 결하고자! 음극재 도전재에 CNT를 사용한다.
CNT를 사용하면 실리콘 음극재의 팽창을 잡아줄 수 있다. CNT가 실리콘 부피 팽창의 완충작용을 하여 전극의 수명 및 에너지 특성을 향상시킨다. 물론, 도전재에 CNT를 쓰는 거 자체로 음극재의 에너지 밀도를 높여서 배터리 용량이 증가하는 효과도 같이 얻을 수 있다.
도전재에 CNT를 넣을 수도 있고, 아니면 첨부터 실리콘에 CNT를 복합시켜서 음극활물질로 이용하기도 한다. 이렇게 해도 효과적으로 부피 팽창을 잡을 수 있다.
국내에서 그리고 세계적으로 음극재 도전재 CNT 기술 상용화는 '나노신소재'가 유일하며, 'LG화학'과 협력해 실제 제품을 만들고 있다.
→ 어쨌든 정리해보면, 음극에 실리콘을 사용하는 것으로 충전 시간 단축을 꾀할 수 있고(+에너지 용량 향상) 실리콘을 사용하기 위해선 CNT를 무조건 같이 써야 한다. 음극재 실리콘 시장과 CNT 도전재 시장은 같이 성장하면서 연평균 CAGR 200%가량을 찍을 전망이다.
③ 전해액
전해액은 염(전해질), 용매, 첨가제로 구성되어있다.
염은 리튬이온의 이동 통로로 작용하며, 유기용매에 쉽게 용해되는 물질로 이루어져 있다. 용매는 이러한 염을 용해시키는 액체로 Ethylene Carbonate(EC), Propylene Carbonate(PC) 등이 주로 사용된다. 첨가제는 전지의 전체적인 성능 향상을 일으키는 물질로, 양극과 음극용이 따로 있으며 다양한 품목이 존재한다.
가장 대중적인 전해질은 LiPF6로써 소형 IT 용 2차전지 등에 주로 사용된다. 일반적으로 전기차용 전해질을 LIPF6에다가 LiFSI(F전해질), LiPO2F2(P전해질), LiDFOP(D전해질), LiBOB(B전해질) 등이 추가된다.
》 LiFSI(F전해질)은 배터리 수명 향상, 저온 환경에서의 방전 억제 효과가 있다.
》 LiPO2F2(P전해질)은 이온 전도도를 높여 충방전 속도를 높이고, 높은 전압에서 배터리 수명을 개선시키며, 전해질의 분해 속도를 감소시킨다.
》 LiDFOP(D전해질) 은 배터리 수명 개선, 출력 개선, 충전시간 단축, 고온 안정성 개선 효과가 있다. 국내에서 '천보'가 D전해질 기술을 보유하고 생산하고 있다.
》 LiBOB(B전해질)은 배터리 안정성 개선, 상온 및 저온 출력 증대, 순간 출력 향상, 배터리 수명 개선 효과가 있다.
④ 분리막
분리막은 PE, PP 소재로 만들며 제조 방식에 따라 습식과 건식으로 나뉜다.
습식은 PE를 사용하며, 제작이 간편하고 기공이 균일하다는 장점이 있는 반면 초기 투자비용이 많고 유해물질이 발생한다는 단점이 있다. 주로 휴대폰이나 노트북 등 소형 모바일용 배터리에 쓰인다.
건식은 PP, PE 둘 다 사용하며, 습식에 비해서 초기 투자비용이 덜 들고 유해물질이 나오지 않아 친환경적이라는 장점이 있지만, 기술장벽이 높아 만들기가 쉽지 않다. 주로 중대형의 전기자동차용 배터리에 쓰인다.
→ SK이노베이션은 세라믹 양면 코팅 분리막 기술을 선점해서 개발하고 있고, LG화학은 'Dip' 코팅 방식을 적용한 나노 세라믹 코팅 기술을 가지고 배터리를 생산하고 있다.
하지만, 분리막은 앞으로 나올 전고체 배터리에 쓰이지 않기 때문에 성장 가능성에 대해선 의문이 있다.
마지막으로, 4대 소재의 기술 발전 현황을 로드맵으로 확인해보자.
나온 지 꽤 시간이 지난 보고서지만, 공부할 점이 너무 많아 블로그에 꼭 다루고 싶어 글을 작성하게 되었습니다.
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