양극재(NCM,LFP,NCA,LCO,LMO)

이번 시간에는 배터리 핵심 소재중 하나인 ‘양극재’에 대하여 알아보겠습니다.

1. 양극재란?

양극재는 배터리의 4대 소재(양극,음극,분리막,전해질)로 배터리의 용량과 출력 등을 결정하는 핵심소재이며 생산원가의 약 40%로 높은 비중을 차지고 있습니다. 대표적인 양극활물질(구성물질)로는 Ni(니켈), Mn(망간), Co(코발트), Al(알루미늄) 등이 있으며 “니켈은 높은 용량, 망간과 코발트는 안정성, 알루미늄은 출력향상” 에 특화된 물질입니다.

양극재는 이러한 특징들을 고려하여 일정 비율로 적정량 혼합해 만들어집니다. 가장 대표적으로 ‘NCM, NCA’ 두 종류의 양극재가 현재 주를 이루고 있습니다.

2. 양극재 구성

양극은 얇은 알루미늄과 활질, 바인더, 도전재로 구성됩니다. 리튬산화물로 구성된 활물질에 도전재를 첨가해 전도성을 높이고, 바인더를 추가해 잘 붙을 수 있게 해주는 것을 ‘합제’라고 합니다. 이 합제를 얇은 알루미늄 기재 양쪽에 바르면 양극이 만들어지는 것 입니다.

양극의 구성

3. 구조 및 종류

리튬이온 배터리의 양극재는 금속염의 구성성분과 결정 격자 구조에 따라서 이와 같이 분류 됩니다.

양극재 표

층상 구조의 ‘LCO,NCM,NCA’는 결정 층 사이에 리튬이온이 차곡 차곡 많은 양의 리튬이온을 수용 할 수 있어서 에너지 용량이 높다는 장점이 있는 반면에 고전압 충전에서 안정성이 떨어진다는 점이 특징입니다.

스피넬 구조는 산화물 구조에서는 코발트가 없어 가격이 저렴하고 리튬이온 대신 Mn 이온의 용출로 리튬 이온의 공간을 방해해 용량 및 수명이 저하되는 문제점이 있습니다.

올리빈 구조는 대표적으로 LFP 배터리가 있는데요, 격자 구조로 안정성이 높고 방전시 리튬이온이 빠져나가도 결정 구조가 열화되는 현상이 적어 수명 안정성이 높은 특징이 있습니다. 또한 현재 수급 문제로 대두되고 가격이 높은 코발트 금속 대신 저가의 철을 사용하기에 가격면에서도 큰 이점이 있습니다, 하지만 철의 전자 전도도가 낮고 리튬이온의 확산 속도가 느린 단점이 있습니다. 또 동작 전압이 낮아 다른 삼원계 리튬이온 배터리보다 상대적으로 에너지 밀도가 낮은점이 있습니다.

하지만 안정성면에 있어서는 현재 그 어떤 2차전지보다 우수하기 때문에 2차전지 탄생 이후 약 20년동안 중국을 제외한 곳에서는 외면 받아왔었지만 다시 각광받는 배터리 양극재로 대두되고 있습니다. 기억하면 좋을 것들을 아래 표에 정리 해 보았습니다.

양극재 비교 표

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