안녕하세요, 이번 시간에는 리튬 배터리의 종류인 삼원계 또는 사원계 배터리인 다원계 배터리에 대하여 알아보겠습니다.
1.삼원계란?
리튬 이온 배터리는 양극과 음극 사이에서 리튬 이온의 화학적 이동에 의한 전자의 이동으로 전기를 사용하게 됩니다. 리튬 단독으로 사용되기에는 여러 방면으로 불안정한 특성이 존재 하기 때문에 이러한 점을 서로 보완 하기 위한 ‘리튬금속산화물’ 형태로 만들어져 배터리의 양극에 존재하게 됩니다.
만들어진 ‘리튬금속산화물’은 보통 양극에 존재하게 되며, 함께 쓰이는 금속으로는 주로 코발트(Co), 망간(Mn), 니켈(Ni), 알루미늄(Al) 등이 있습니다.
기본적으로 LCO(리튬+코발트+산소)인 ‘리튬코발트산화물’에 추가로 특정 원소를 합하여 만들게 됩니다.
2. 삼원계 배터리 종류
대표적으로 NCM(니켈+코발트+망간)계열 및 NCA(니켈+코발트+알루미늄) 계열의 삼원계 배터리가 가장 많이 쓰이고 있습니다.
NCM은 정확하게 표기하면 ‘LNCMO’로 LCO를 기본으로 니켈과 망간이 추가로 결합해 있는 형태 입니다. 기본적으로는 1:1:1의 비율로 만들어지지만 전기차의 기대 주행 거리와 전자기기의 기대 사용 시간 증대를 위해 더 큰 에너지 밀도가 필요했고, 코발트 원료의 높은 가격 때문에 니켈의 함량을 늘리고 코발트 함량을 줄인 NCM712, NCM811, 나아가 코발트가 전혀 쓰이지 않는 ‘코발트프리’ 까지 개발되기도 했습니다.
NCA 또한 LCO에 니켈과 알루미늄이 추가로 결합해 있는 형태 입니다. 보통 니켈,코발트,알루미늄 비율은 8:1:1로 니켈의 함량이 높고 알루미늄이 포함되어 있어 다른 전지들 보다 높은 출력을 특징으로 합니다. NCA 배터리는 첫 테슬라 전기차에 일본 파나소닉 업체의 원통형 전지를 납품 받아 적용되며 큰 주목을 받았었습니다.
사원계 역시 ‘리튬코발트산화물(LCO)’를 기본으로 한 삼원계 배터리에 원소 하나를 더 추가하여 총 4개의 금속 원소로 양극재가 만들어지는 배터리를 말합니다. 대표적으로 ‘NCMA’가 있으며 NCM 배터리에 알루미늄(Al)원소가 추가되어 출력을 높인 배터리 입니다. 값비싼 코발트의 함량을 줄여 배터리 원가도 낮아지고, 다시 비율을 조절하여 필요에 맞게 성능을 적절히 조절 가능하고, 여러 형태의 배터리로 모두 적용이 가능하다는 장점이 있습니다.
위 삼,사원계 배터리를 모두 ‘다원계 배터리’ 라고도하며 양극재를 구성하는 각 금속들의 특징들을 잘 봐두면, 알파벳의 조합으로 여러 다원계 배터리의 특성을 손쉽게 파악이 가능하게 됩니다.
[양극재에 대해서 LFP를 포함하여 아래 링크에 과거에 포스팅 한 적이 있습니다. 양극의 구조와 특성을 조금 더 자세히 알아볼 수 있으니 아래 링크를 참고 해 주시면 되겠습니다]
[양극재 더 알아보기]