리튬이온배터리 구조 (양극, 음극, 분리막, 전해질)

리튬이온배터리는 크게 음극, 양극, 분리막, 전해질로 구분된다.

 

음극

 

음극 소재는 흑연, 실리콘, LTO 등이 있다. 흑연은 현재 가장 많이 쓰이는 음극재로 층상구조를 대게 6층 가지고 있다. 이 층 사이에 Li원자가 저장된다. 층 사이의 간격이 좁기 때문에 LTO보다 원자의 출입이 상대적으로 느리다.

 

이와 같은 흑연 음극재의 한계를 극복하기 위해 LTO가 개발되었다. LTO는 작동 전압이 1.3 ~ 1.6V로 기존의 탄소계 음극재에 비해 높고 가역 용량은 170mAh/g정도로 작다는 단점이 있으나, 고속 충방전이 가능하고 비가역 반응이 거의 존재하지 않으며(초기 효율 95%이상), 반응열이 매우 낮아 안전성이 우수하다는 장점이 있다. 또한 탄소 재료의 경우 이론 밀도가 약 2 g/cm3정도로 낮으나 LTO는 이론 밀도가 3.5 g/cm3정도로 높아 부피당 용량은 탄소 물질과 유사한 수준이다. 실제로 활물질을 사용하여 전극으로 구현했을 때 중요하게 생각되는 것은 질량당 용량보다는 부피당 용량이므로 LTO 소재의 경우 높은 밀도로 인해 부피 당 용량 면에서 우수한 장점을 갖는다. 그러므로, LTO 소재의 합성에 있어서 가능한 한 높은 레이트 특성을 유지하면서 전극의 밀도를 높여 부피당 용량을 크게 하는 것이 중요한 과제이다. 또한 전극 활물질을 nano 수준에서 제어할 필요가 있는데 이는 활물질과 전해염의 반응경로가 짧아져서 고출력특성이 우수하며 미반응 면적이 상대적으로 적음으로서 이론용량에 근접한 수치를 얻을 수 있다.

 

	흑연(Graphite)	LTO(3D)
구조	층상구조(2D)	Spinel구조(3D)
비표면적	3m^2/g	100m^2/g
충전속도	느림	빠름
안정성	상대적으로 불안정	우수

 

흑연과 LTO 구조

 

 

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양극

현재 양극은 LCO, NCM, LCA, LMO, LFP 등이 사용 중에 있다. 우리나라에서는 삼원계 배터리인 NCM을 주력으로 사용하고 있다. Ni은 에너지 저장성이 높지만 안정성이 떨어지는 단점이 존재한다. 이를 C(코발트)와 M(망간)의 비율을 조절하여 안정성을 높이려고 한다. 하지만 최근에 EV의 시장 확대로 인해 배터리사에 요구되는 저장용량이 높아지고 있다. 따라서 1:1:1에서 시작한 비율비는 6:2:2 > 8:1:1 > 9/0.5/0.5 점점 Ni의 비율이 높아지고 있는 추세이다. 최근에는 Al을 추가해 NCMA를 사용하여 안정성을 높이는 노력을 하고 있다.

 

	NCM	LFP
구조	층상구조	Spinel구조
안정성	다소 높음	매우 높음
에너지 용량	큼(140~220mAh/g)	작음(150mAh/g)
전압	높음	낮음
수명	길다	보통

 

각 배터리 소재의 거동

 

Voltage Profile을 보면 NCM(검정)은 지속적으로 상승하고 LFP(빨강)은 일정하게 전압이 유지됨을 확인할 수 있다. 이는 LFP가 사용자 입장에서 유리하게 사용될 수 있음을 의미한다. 전압이 일정하지 않으면 변압기 같은 부가적인 장치가 필요하기 때문이다. 단, LFP의 전압이 NCM보다 낮음도 확인할 수 있는데, 이는 출력면에서는 NCM이 우수함을 알 수 있다.

 

 

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분리막

분리막은 양극과 음극이 직접적으로 접촉하지 않게 분리하는 절연막으로 화재, 폭발 등을 방지하고 이온을 원활하게 이동시켜 주는 2차전지 안전성의 핵심소재이다. 분리막은 기본적으로 아주 작은 기공이 있어 그 사이로 리튬 이온이 통과해 양극과 음극을 이동한다. 또한 배터리 내부에 생성되는 이물질을 통과하지 못하게 하는 역할도 한다. 분리막은 절연성과 전기화학적 안정성, 기계적 강도가 뛰어나야 하고 표면에 기공이 많아야 하며, 그 크기가 균일할수록 좋다. 또한 두께가 얇을 수록 더 많은 양의 양극과 음극 활물질을 넣어 배터리의 에너지 밀도를 높일 수 있다. 분리막은 주로 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP)등과 같은 절연 특성이 좋은 고분자 소재를 사용한다

 

분리막은 공정 방법에 따라 건식 분리막과 습식 분리막으로 구분된다.

	건식 분리막	습식 분리막
제조	쉬움	어려움
가격	저가	고가
기공 형태	직선형	그물형
내열 특성	우수	취약
기계 강도	약함	강함
박막화	어려움	쉬움

 

셀롤로스도 사용 중에 있다. 셀롤루스의 장점은 Li이온전자가 많이 통과할 수 있어 충/방전이 빠르다는 장점이 있다. 하지만 미세하게 코어사이즈를 조절하지 못해 Rough 하다는 단점이 있다.

 

 

 

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전해질

전해질은 현재는 액체형태를 사용하지만, 고체전해질이 계발 중에 있다. 유기물, 황화물, 산화물계가 존재한다. 유기물은 50도 가까이 온도를 높여야만 사용이 가능하다. 황화물은 삼성SDI에서 현재 연구개발 중에 있다.