음극재

음극재(anode materials)는 2차전지 충전 때 양극에서 나오는 리튬이온을 음극에서 받아들이는 소재이다. 음극활물질이라고도 부른다. 리튬2차전지는 방전 시 리튬이온을 저장하는 양극재와 충전할 때 리튬이온을 받아들이는 음극재, 둘 사이에서 리튬 이온이 이동할 수 있도록 해주는 전해질, 양극과 음극이 직접 접촉하지 않도록 분리해주는 분리막 등 4대 핵심소재로 구성된다. 2차전지 전체 재료비 중 이들 4대 소재 비중이 80%에 육박한다. 음극재의 재료로는 흑연이나 인조흑연 등의 탄소 물질을 가장 많이 사용한다. 다만 흑연은 에너지 밀도가 370mAh/g가 한계다. 실리콘을 사용할 경우 400mAh/g 이상으로 높일 수 있다. 전기차 1회 충전시 주행거리를 늘리고 충·방전으로 배터리가 부풀어 오르는 스웰링(swelling) 현상도 억제한다. 전 세계 배터리 기업 가운데 LG화학, 파나소닉 두 곳만 음극재에 실리콘을 사용하고 있다

한국의 포스코케미칼은 2019년 10월 24일 음극재 2공장을 가동함으로써 1공장과 합쳐 연 4만4000t의 음극재 생산능력을 갖춰 세계 제1위의 음극재 생산업체로 올라섰다. 2공장의 3단계까지 완공하면 포스코케미칼의 생산능력은 연7만4000t까지 늘어나게 된다.

개요

음극은 양극에서 나온 리튬이온을 저장, 방출함으로써 전기를 발생시키는 역할을 한다. 충전 시에는 음극에 리튬이온을 저장하고 있다가, 방전 시에는 리튬이온을 전해액을 통해 양극으로 이동시키게 되고, 리튬이온과 분리된 전자는 도선을 따라 이동하면서 전기가 발생한다.

음극 활물질은 ① 원활한 이온전도율, ②리튬 이온을 많이 저장할 수 있는 대용량과 큰 출력, ③ 긴 수명, ④ 구조적 안정성, ⑤ 낮은 전자 화학 반응성, ⑥ 저렴한 가격 등을 갖추고 있어야 한다.

음극은 구리 기재 위에 음극활물질, 도전제, 바인더가 입혀지는데, 음극에는 대부분 안정적인 구조를 지닌 흑연(Graphite)이 사용된다. 흑연은 음극 활물질이 지녀야 할 많은 조건들인 리튬 이온을 많이 저장할 수 있는 대용량, 긴 수명 구조적 안정성, 낮은 전자 화학 반응성, 저렴한 가격 등을 갖춘 재료로 꼽히고 있다.

음극재는 양극에서 발생한 리튬이온을 받아들이는 역할을 한다. 안정적인 구조가 필수적이라 탄소로 이루어진 흑연을 주로 쓴다. 다만 흑연은 용량을 키우기 어렵다. 배터리에 사용할 수 있을 정도의 고순도 제품 생산에 오랜 시간이 필요하다. 흑연의 고유 장점을 유지하면서 성능은 높이고 가격 경쟁력을 갖춰야 한다. 음극재는 배터리의 성격을 결정한다. 음극재가 바뀌면 시스템이 달라져 새로운 형태의 배터리라고 부를 수 있다.

음극재 시장은 중국과 일본 업체가 장악하고 있다. 중국은 원료인 흑연 매장량이 풍부하고 일본은 원천기술이 많다. 최근 전기차(EV) 배터리 시장이 급성장하면서 음극재 성능 개선의 필요성이 커졌다. 현재 널리 사용하고 있는 흑연계 음극재는 이론적인 최대 용량이 372밀리암페어(mAh)/g에 불과하다. 리튬메탈, 리튬티타늄 화합물(LTO)이라는 대안이 있으나, 가격이 비싸고 양산이 어렵다.

음극재의 중요성

리튬 배터리에서 양극활물질은 시대의 요구에 따라 다양하게 변화되어 왔다. 하지만 양극재에서 높은 에너지를 생성하더라도 이를 저장하는 장소인 음극재가 균형 있게 받쳐주지 않는다면 효율성이 떨어질 수 밖에 없다. 특히 충전시 음극재가 리튬이온을 더 잘 받아들일 수 있어야 충전 시간도 짧아질 수 있다. 다른 관점에서 보면 오히려 도심 내 전기차 사용자들의 더 큰 불만은 주행거리가 아니라 긴 충전시간일 수 있다. 현재 국내에서는 충전 공급 전력이 급속충전기가 50kW급 완속충전기는 7kW급이 주를 이루고 있다 일반적인 가정에서 전기차 1시간 충전시 주행거리는 약 40km에 불과하다.

1회 충전시 최대 주행거리가 충분히 길지 않더라도 배터리 충전시간을 크게 단축시킨다면 자주 충전이 가능한 도심 지역 내에서 사용하는데 큰 불편함이 없을 수 있다. 향후 배터리 업체들이 음극재 관련 기술 개발에 적극적일 수 밖에 없을 것으로 판단하는 이유이다.

음극재의 소재

음극활물질은 오래 전부터 지금까지 꾸준하게 흑연(Graphite)이 가장 많이 사용되고 있다. 흑연은 아주 규칙적인 형태로 탄소Carbon가 결합된 하나의 층이 여러 겹 쌓인 층상구조이다. 리튬이온이 양극에서 음극으로 이동하는 충전 과정에서 음극에 도달한 리튬이온은 흑연층 사이에 저장된다. 그런데 이때 리튬이온이 들어간 흑연은 팽창되어 미세하게 부피가 늘어나게 된다. 이것이 반복되면 점차 구조 변화를 일으켜 배터리 수명도 감소하게 된다. 배터리 수명에 있어서도 음극재가 중요한 요인 중 하나이다. 최근 배터리 업계는 고용량 배터리를 향한 시대적 요구에 맞춰 차세대 음극활소재 개발이 진행되고 있다

흑연의 뒤를 이을 소재로 손꼽히는 것이 실리콘Si이다 배터리의 음극 내에서 흑연은 리튬이 6개의 탄소 원자에 포위된 LiC6Li+6C=LiC6 형태로 저장돼 있으며 실리콘은 리튬이온과 결합해 Li22Si5 22Li+5Si=Li22Si5로 형성된다.

천연흑연 (350 ~ 360 mA/g )

• (장점) 원가(1위)와 용량(2위)에서 상대적으로 강점을 가진다.
• (단점)은 출력(4위)이 제일 낮다.

인조흑연 (피치, 코크스) ( 320~ 340 mA/g )

• (장점) 출력(2위)이 양호하고, 수명(1위)이 2~3배 우수하다. 전기차용으로 사용이 확대되고 있다.
• (단점) 용량(3위)이 상대적으로 낮다.

탄소계 (소프트카본, 하드카본) (200~250 mA/g)

• (장점) 출력(1위)은 제일 높다.
• (단점)은 용량(4위)( 200~250mAh/g)이 최하위다.

금속계(SiOx, Si탄소계 ) (600~1,600 mA/g)

• (장점) 용량(1위)( 600~1,600mAh/g )으로 제일 크다.
• (담점)은 원가(4위)와 수명(4위)에서 경쟁력이 약하다.

주석 ( Sn )

실리콘 / 실리콘 - 탄소 합성물 ( 흑연의 2~10배 )

리튬메탈. (흑연의 10배 이상 )

참고자료

• 리튬 이차 전지용 음극소재 개발 - https://www.cheric.org/PDF/NICE/NI30/NI30-4-0429.pdf
• 〈음극재〉, 《네이버 지식백과》

같이 보기

• 양극재
• 전해질
• 분리막
• 2차전지

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