활물질

활물질(Active material)은 전지가 방전할 때 화학적으로 반응해 전기에너지를 생산하는 물질이다. 양극활물질과 음극활물질이 있다.

리튬이온 배터리 활물질

양극재, 음극재, 분리막, 전해질이 리튬이온 배터리의 4대 요소로 불린다. 이 중 음극재와 양극재 속에 포함된 활물질은 배터리 내에서 전기를 일으키는 가장 근본이 되는 물질을 일컫는다.

양극활물질

양극활물질은 리튬이온을 제공할 수 있는 물질이다. LCO(Lithium cobalt oxide), LMO(Lithium manganse oxide), LNO(Lithium Nickel oxide) 등이 주로 양극 활물질로 사용되며 각각의 특성을 조화시켜 만든 NCM(Ni, Co, Mn), NCA(Ni, Co, Al) 등이 실제 리튬이온배터리의 양극 활물질로 사용된다.

각 물질마다 특성이 다른데, 대표적인 세 물질의 특성은 다음과 같다.

• LCO(LiCoO₂ - 리튬코발트산화물) : LiCoO₂는 구조적으로 밀집된 산소층 사이에 리튬과 코발트이온의 층이 교대로 존재하는 층상 암염 구조를 갖는다. 전통적으로 LiCoO₂는 높은 온도에서 오랜 시간동안의 고상 반응을 통해 합성되어 졌다.합성이 용이하고, 전기화학 성능이 우수하다(용량=274mAh/g). 현재 상용화되어 있는 리튬이온 배터리의 양극활 물질로 주로 사용되고 있다. 하지만 주원료인 Co 가격이 높다는 단점이 있다.
• LMO (LiMn₂O₄ - 리튬망간산화물)ㅡ삼원계 : 구조적으로 스피넬 구조를 가지고 있는 리튬 망간산화물(LMO)은 용량이 100mAh/g으로 LCO보다는 낮다. 그러나 출력 특성이 좋고 안전성이 우수하며, 가격이 저렴하여 성능이 낮은 제품에 적용되고 있다.
• LNO : 양극활물질 중에서 가장 고용량이다.
• NCM(Li[NiCoMn]O₂ - 니켈코발트망간)ㅡ삼원계
• NCA( Li[NiCoAl]O2 - 니켈코발트알루미늄)ㅡ삼원계
• LFP( LiFePO4 - 리튬인산철)

​Ni, Co, Mn를 주 성분으로 한 3성분 계 Ni-rich NCM 계 양극활물질은 LiNiO₂ (LNO)의 고용량, LiCoO₂ (LCO)의 우수한 전기화학 성능, LiMn₂O₄ (LMO)의 안정성의 장점을 고루 지닌다.

리튬이온 배터리 양극활물질 종류 및 특징

 

리튬이온 배터리 양극활물질 종류 및 특징

 

음극활물질

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

음극활물질은 ① 원활한 이온전도율, ②리튬이온을 많이 저장할 수 있는 대용량과 큰 출력, ③긴 수명, ④구조적 안정성, ⑤낮은 전자 화학 반응성, ⑥저렴한 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 리튬이온을 많이 저장할 수 있는 대용량, 긴 수명 구조적 안정성, 낮은 전자 화학 반응성, 저렴한 가격 등을 갖춘 재료로 꼽히고 있다.

일반적으로 천연흑연이 사용되며 점차 인조흑연으로 대체하는 추세이다. 흑연 외에도 LTO(Lithium titanate), 그래핀(graphene), silica, TiO₂등의 음극 활물질로 사용할 수 있는 물질들이 존재한다.

​흑연의 이론적 용량이 372mAh/g, TiO₂는 335mAh/g인 것에 비해 silica는 4200mAh/g으로 압도적으로 큰 용량을 가지고 있다. 하지만 순전히 silica로만 이루어진 음극은 사용할 수 없으며, 그 이유는 용량 유지율이 급격히 낮아지기 때문이다. 이를 보완하기 위해 소량의 silica를 첨가하는 식으로 음극의 용량을 향상시키고 있다.

리튬이온 배터리 음극활물질 종류 및 특징

 

리튬이온 배터리 음극활물질 종류 및 특징

 

참고자료

• 인생후배, 〈리튬이온배터리 - 활물질(Active material)〉, 《네이버 블로그》, 2020-03-13
• 찰리, 〈배터리소재(2) : 음극활물질〉, 《네이버 블로그》, 2019-11-02
• 찰리, 〈배터리소재(1) : 양극활물질〉, 《네이버 블로그》, 2019-11-02

같이 보기

• 양극활물질
• 음극활물질
• 리튬이온 배터리
• LMO
• LCO
• LNO

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