[대한민국 희망 프로젝트]〈677〉리튬이온 배터리 양극재

📁관련 통계자료 다운로드리튬이온 배터리 충·방전 원리

세계적으로 전기자동차에 대한 관심이 높아지고 있습니다. 가솔린이나 디젤 엔진이 아닌 전동모터를 사용하다 보니 소음과 진동이 거의 발생하지 않고, 매연이나 탄소배출이 없는 친환경적인 장점 때문인데요. 최근에는 그동안 전기차의 단점으로 여겨졌던 짧은 주행 성능 문제까지 크게 개선되고 있습니다. 전기차에 들어가는 배터리 기술이 좋아졌기 때문입니다. 배터리 성능을 좌우하는 리튬이온 배터리 소재 중 양극재에 대해 알아보겠습니다.

양극재는 전기차 배터리의 성능을 좌우하는 리튬이온 배터리 소재 가운데 하나입니다. 사진은 전기차 배터리 시스템.

A:리튬이온 배터리의 원리와 구조가 궁금합니다.

Q:충전과 방전이 가능한 리튬이온 배터리의 기본적인 4대 구성요소는 '양극' '음극' '분리막' '전해질(전해액)'입니다. 리튬이온 배터리는 양극(+)과 음극(-) 물질의 산화환원 반응을 통해 화학에너지를 전기에너지로 변환시키는 구조입니다. 산화환원 반응이란 반응물 간 전자(e-) 이동 때문에 일어나는 반응으로 전자를 잃은 쪽을 '산화', 전자를 얻은 쪽을 '환원'됐다고 합니다. 양극은 리튬(Li)과 산소(O)가 만난 리튬산화물(Li+O)로 구성돼 있는데요, 배터리의 음극(-)과 양극(+)을 연결하면 도선을 통해 음극의 전자가, 전해액을 통해 리튬이온이 양극으로 이동하게 됩니다. 쉽게 말해 리튬이온에서 분리된 전자가 양극에서 음극으로 이동하면 충전, 반대로 음극에서 양극으로 이동하면 방전이 되는 원리입니다. 이렇게 리튬이온이 양극과 음극을 '왔다 갔다'하면서 충전과 방전이 이뤄지고, 전기도 생겨납니다.

리튬이온 배터리 충?방전 원리.

Q:양극재는 무엇인가요.

A:리튬은 반응성이 크기 때문에 자연 상태에 있을 때, 리튬(Li)과 산소(O)가 만난 리튬산화물 형태로 존재합니다. 배터리의 양극에도 리튬산화물 형태로 리튬이 존재하는데요, 리튬산화물처럼 양극에서 배터리 전극 반응에 관여하는 물질을 '활물질'이라고 부릅니다. 양극재에는 얇은 알루미늄기재와 활물질, 도전제, 바인더가 있습니다. 리튬산화물로 구성된 활물질에 소량의 도전제를 넣어 전도성을 높이고, 바인더를 넣어 이들이 잘 붙을 수 있게 도와준 것이 '합제'인데, 작은 입자의 파우더 가루들이 섞여 있는 형태입니다.

이 합제를 얇은 알루미늄기재 양쪽에 발라 양극이 만들어집니다. 따라서 어떠한 양극 활물질을 사용하느냐에 따라 저장되는 전자(e-) 수가 달라지고 배터리 용량과 전압도 결정됩니다.

Q:양극의 성능을 결정짓는 양극 활물질에는 어떤 것이 있나요.

A:리튬과 산소 그리고 다른 물질이 만나 무수한 리튬산화물이 탄생할 수 있지만, 현재 배터리로서 적합한 성능을 내는 활물질은 크게 다섯 가지로 구분합니다. 양극 활물질은 리튬과 금속 성분의 조합으로 구성된다고 볼 수 있습니다. 이때 금속 종류와 비율에 따라 서로 다른 특성을 가집니다. 금속 종류에 따라 니켈(Ni)은 고용량, 망간(Mn)과 코발트(Co)는 안전성, 알루미늄(AI)은 출력 특성을 향상하는 역할을 합니다.

전기차가 요구하는 다양한 성능을 만족시키기 위해 배터리 업체는 이들 소재의 적절한 조합 능력을 확보하는 것이 중요합니다. 현재 생산되는 대부분의 전기자동차용 배터리는 니켈·코발트·알루미늄(NCA), 니켈·코발트·망간(NCM), 리튬·망간·산화물(LMO) 등 양극 소재를 적절히 혼합해 사용하고 있습니다. 리튬인산철(LFP)은 중국 전기차용 배터리 업체들이 주로 사용하는데 높은 안전성과 상대적으로 낮은 가격의 장점이 있습니다. 반면에 에너지 밀도가 낮고 부피가 크며 출력이 낮다는 단점이 있습니다.

현재 전기차 배터리의 양극 소재로 주로 NCA, NCM, LFP 등이 사용되고 있습니다. 니켈 함량을 높인 하이니켈(High-Ni) 양극 소재 개발 소식도 자주 들려오고 있습니다. 하이니켈을 사용하는 것은 바로 배터리의 에너지 밀도를 높이기 위해서 입니다. 배터리 에너지밀도가 높다는 것은 곧 동일한 용량의 배터리를 더 적은 무게와 작은 부피로 전기차에 탑재할 수 있다는 것을 의미합니다.

양극 활물질 종류와 장단점 비교.

Q:우리나라 배터리 기업은 어떻게 대응하고 있나요.

A:현재 국내 배터리 업체들이 대부분 NCM 개발에 주력하고 있는 반면 삼성SDI는 NCA, NCM 양극 소재를 중심으로 제품을 개발하고 있습니다. NCA는 NCM, LMO 등 타 소재 대비 출력과 에너지밀도가 높은 특성이 있어 소형배터리 시장의 전동공구용에 주로 사용됐습니다.

삼성SDI는 내년 니켈 함량을 88%로 높인 NCA 배터리를 출시할 예정입니다. LG화학은 기존 NCM 양극재에 값싼 알루미늄을 추가하는 기술을 확보했으며 내년 하반기 양산을 계획하고 있습니다. SK이노베이션은 현재 NCM811(니켈 80%·코발트 10%·망간 10%) 배터리를 양산하고 있습니다. 지난해에는 코발트와 망간 양을 더 줄인 배터리 개발에 성공해 양산을 앞두고 있습니다.

주최: 전자신문 후원:교육부·한국교육학술정보원(KERIS)

◇슈퍼 배터리와 전기자동차 이야기, 세트 플레처 지음, 한원철 역자, 성안당

학술지에서만 접해 봄 직한 이 분야의 대가들을 일상에서 만날 수 있고, 전지와 얽힐 수밖에 없는 전기차의 과거와 현재를 경험할 수 있다. 최첨단 전지 및 관련 재료연구의 동향, 세계 리튬자원의 상황과 새롭게 태동하는 전기차 산업의 흐름을 이해하기에 도움이 되는 책이다.

◇작지만 큰 기술, 일본 소부장의 비밀, 정혁 지음, 매일경제신문사

일본을 넘어 세계 경제의 기반이 된 12개 기업의 성장과정을 통해 조목조목 우리가 나가야 할 길을 제시하고 있다. 우리나라 기업이 가지고 있는 역동적이고 창의적인 능력에 좀 더 앞서 기술 강국이 된 일본의 장점만 뽑아 적용한다면 세계 최고가 될 수 있다는 내용을 담고 있다.

박태준기자 gaius@etnews.com