음극활물질

음극활물질은 산화 시 전자를 방출하는 소재로 리튬이온 배터리 재료의 10% 정도를 차지한다. 초기 리튬금속 배터리에서는 리튬을 직접 활용하였지만 위험성 등의 문제로 다른 물질로 대체되었다. 리튬 금속을 대체할 음극재료가 갖추어야 할 요건들은 다음과 같다. 금속 리튬의 전극전위에 근접한 전위를 가져야 하며, 부피당 무게당 에너지 밀도가 높아야 한다. 뛰어난 충방전 안전성을 가지며 고속 충방전에 견딜 수 있어야 한다.

음극재는 양극재와 함께 전기를 생산하는 주요 재료이나 비중은 약 10%로 양극재에 비해서 상대적으로 재료비에서 차지하는 비중은 낮지만 연간 평균 15~30% 사이의 성장률로 2025년 음극재시장규모는 76억 달러까지 성장할 것으로 예상되며 이는 현재 시장 규모의 4배 이상이 될 전망이다.

음극재의 에너지 밀도 개선을 위해서 전극재료의 변경, 도포 기술의 향상, 전극 Packing 기술의 향상, 음극의 충방전 효율 향상 등이 있으나 전극재료의 변경을 제외한 수단은 이미 한계에 이른 것으로 판단되고 있다.

사실 더 오래 가고 빨리 충전되는 배터리를 만들려면 전극의 성능이 좋아야 한다. 현재 리튬이온배터리의 경우 음극재로 흑연이 널리 쓰이고 있다. 흔하고 싼 재료인데다 층상 구조라 틈새에 리튬이온이 쉽게 들어갔다가(충전) 나올 수 있고(방전), 이 과정이 반복돼도 안정적이기 때문이다. 다만 에너지 밀도가 높지 않고 충전 속도도 빠르지 않다. 흑연의 가장자리를 살짝 부식시켜 리튬이온이 좀 더 쉽게 드나들 수 있게 하고, 여기에 실리콘 나노층을 입혀 에너지 밀도를 높이는 연구도 진행되었다. 그 결과 기존 흑연 음극에 비해 충전 시간과 속도가 모두 개선된 음극 소재를 개발하는 등 효과적인 전극재료의 변경을 위한 연구들이 진행 중이다. 음극재에 대해 자세히 보기

참고자료

• R.E.F 15기 김상재, 〈리튬이온배터리 : 반도체 시대를 지나 배터리 시대로〉, 《에너지설비관리》, 2019-12-02

같이 보기

• 음극
• 활물질
• 음극재
• 양극재
• 양극활물질
• 흑연

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