[2차전지 - 2편] 양극재와 음극재의 구조와 작동방식

간략한 요약

이 비디오에서는 2차 전지의 양극 및 음극 활물질에 대해 자세히 설명합니다. 음극에는 주로 흑연이 사용되며, 양극에는 다양한 금속 산화물이 사용됩니다. 양극재의 종류에 따라 배터리의 성능과 가격이 달라지며, 코발트, 망간, 니켈, 철, 알루미늄 등의 금속이 사용됩니다. 결정 구조에 따라 층상 구조, 스피넬 구조, 올리빈 구조로 나뉘며, 각 구조는 리튬 이온의 이동 방식과 안정성에 영향을 미칩니다.

• 음극 활물질: 주로 흑연 사용, 리튬 금속의 덴드라이트 문제
• 양극 활물질: 금속 산화물 (코발트, 망간, 니켈, 철, 알루미늄)
• 결정 구조: 층상 구조, 스피넬 구조, 올리빈 구조

음극 활물질: 흑연

음극 활물질로는 주로 흑연이 사용됩니다. 흑연은 낮은 전위를 안정적으로 유지하여 높은 전압을 사용할 수 있게 하며, 가격이 저렴하고 구하기 쉬운 장점이 있습니다. 흑연은 탄소 원자 6개가 모여 육각형을 이루는 판 모양의 층상 구조로, 이 층 사이로 리튬 이온이 드나들 수 있습니다. 흑연은 리튬 이온이 이동해도 구조가 쉽게 무너지지 않으며, 전기 전도성이 높아 충방전 속도가 빠릅니다. 리튬 금속을 음극재로 사용하면 더 많은 리튬 이온을 저장할 수 있지만, 덴드라이트 발생으로 인한 발화 문제가 있어 아직 활용되지 못하고 있습니다.

양극 활물질: 금속 산화물

양극 활물질로는 다양한 금속 산화물이 사용되며, 양극재의 종류에 따라 배터리의 성능과 가격이 달라집니다. 금속 산화물은 금속과 산소가 결합된 화합물로, 방전 시 리튬 이온과 전자가 금속 산화물과 반응하여 리튬 금속 산화물이 됩니다. 전이 금속은 여러 개의 전자를 잃어도 화학적 성질이 크게 변하지 않아 양극재 구조를 안정적으로 유지할 수 있습니다. 양극재로 사용하기에 적합한 금속은 코발트, 망간, 니켈, 철, 알루미늄 등이 있으며, 이들의 조합에 따라 다양한 양극재가 개발되고 있습니다.

양극재의 종류 및 특징

리튬 코발트 산화물, 리튬 망간 산화물, 리튬 인산철, NCM 계열, NCA 계열 등 다양한 양극재가 사용되고 있습니다. 리튬 코발트 산화물은 제조가 쉽고 안정성이 높지만, 코발트의 가격이 비싸고 실제 용량이 낮은 단점이 있습니다. 니켈은 전지의 용량을 높여주지만 안정성을 떨어뜨리고, 망간은 안정성을 높여주는 대신 용량이 낮아집니다. 알루미늄은 전기 전도성이 좋아 출력을 높여줍니다.

양극재의 결정 구조

양극재의 결정 구조는 층상 구조, 스피넬 구조, 올리빈 구조로 나눌 수 있습니다. 층상 구조는 리튬 이온이 2차원으로 움직일 수 있고, 스피넬 구조는 3차원으로 확산될 수 있으며, 올리빈 구조는 1차원으로 배열되어 있습니다. 리튬 코발트 산화물, NCM 계열, NCA 계열은 층상 구조이고, 리튬 망간 산화물은 스피넬 구조이며, 리튬 인산철은 올리빈 구조입니다.

리튬 코발트 산화물 (LCO)

리튬 코발트 산화물은 리튬 이온 전지가 처음 상용화되었을 때부터 사용된 양극재입니다. 코발트는 가격이 비싸지만 제조 방법이 쉽고 신뢰성이 높아 많이 사용되었지만, 최근에는 사용을 줄여가는 추세입니다. 층상 구조로 코발트와 산소로 만들어진 층 사이에 리튬이 들어가 있으며, 충전 시 리튬이 빠져나가고 방전 시 다시 들어옵니다. 리튬이 50% 이상 빠져나가면 구조가 무너지기 시작하여 실제 사용할 수 있는 리튬 이온이 절반밖에 되지 않습니다. 코발트 채굴 과정에서 환경오염과 인권 문제 등으로 코발트 사용을 줄여가는 추세입니다.

리튬 니켈 산화물 (LNO) 및 NCM 계열

리튬 니켈 산화물은 코발트 대신 니켈을 사용한 양극재로, 층상 구조를 이루고 있습니다. 리튬 코발트 산화물보다 더 많은 리튬 이온을 사용할 수 있지만, 니켈 이가 양이온과 리튬 양이온이 혼합되는 문제가 있습니다. 니켈은 단독으로 사용하기에 결정 구조의 안정성이 떨어져 코발트 같은 다른 금속을 추가하여 안정성을 높여주는 양극재를 개발하기 위해 노력했습니다. 니켈, 코발트, 망간을 사용한 NCM 계열은 각 금속의 장점을 이용할 수 있고, 각 금속의 비율을 조절하여 양극재의 특성을 바꿀 수 있습니다. 니켈의 비중을 높이면 에너지 밀도를 높일 수 있지만, 안정성을 높여주는 코발트 망간의 양이 감소하면서 배터리의 수명이 감소할 수 있습니다.

NCA 계열

코발트의 일부를 알루미늄으로 대체한 NCA 계열 양극재는 알루미늄을 사용하여 배터리 내부의 저항을 낮추고 출력을 향상시킬 수 있습니다. 알루미늄은 전기 전도성이 높고 열전도성이 좋아 저항을 낮춰주며, 전자의 이동을 빠르게 해주고 내부에 있는 열을 효과적으로 분산시켜줍니다. NCA 계열은 니켈 함량이 80% 이상으로 높기 때문에 안정성을 개선시켜주는 다른 금속의 비율이 줄어들어 NCM 계열보다 배터리의 수명이 짧은 편입니다.

리튬 망간 산화물 (LMO)

리튬 망간 산화물은 망간을 이용한 양극재로, 가격이 저렴하며 제조가 쉽고 열에 대한 안정성이 높지만 에너지 밀도가 떨어지는 단점이 있습니다. 층상 구조가 아닌 스피넬 형 구조로, 구조적으로 더 견고하여 리튬 이온이 이탈해도 구조에 큰 변형이 일어나지 않습니다. 리튬 이온이 입체적으로 배열되어 있어 3차원 개방형 구조이기 때문에 리튬 이온이 사방으로 빠르게 확산될 수 있습니다. 망간 이온이 전해질로 녹아 나오는 문제점을 해결하기 위해 코팅이나 도핑 같은 기술을 이용합니다.

리튬 인산철 (LFP)

리튬 인산철은 철을 이용한 양극재로, 철은 매장량이 많아서 저렴하고 환경을 오염시키지 않습니다. 올리빈 형 구조로, 리튬 이온은 1차원으로 배열되어 있어 리튬 이온이 확산하는 속도가 느립니다. 올리빈 구조는 많은 리튬이 빠져나가도 구조가 무너지지 않아 이론 용량과 실제 용량의 차이가 크지 않습니다. 산소와 이미 단단하게 결합되어 있어서 산소가 쉽게 방출되지 않아 다른 양극재보다 결정적으로 안정성이 뛰어난 편입니다. 전자 전도성이 낮고 리튬의 확산 속도가 느린 단점을 보완하고자 전도성이 높은 물질을 코팅하거나 첨가하는 방식으로 전자 전도성을 향상시키고 있습니다.

결론 및 안전

배터리에서 가장 걱정되는 것은 발화 사고이며, 이는 여러 가지 원인에 의해 발생합니다. 양극재뿐만 아니라 음극재, 분리막, 전해질 등 배터리의 모든 구성 요소들이 안전에 중요합니다. 양극재는 다른 구성물들에 비하면 안전한 편이고, 양극재 때문에 화재가 발생하는 일은 거의 없습니다. 배터리를 만들 때는 양극재뿐만 아니라 모든 구성 요소들을 신경 써야 합니다.