1. 리튬이온 배터리 구성 요소와 양극활물질 NCM LFP
현대 에너지 저장 장치의 핵심 배터리인 리튬이온 전지는 단순하면서도 매우 세밀하게 설계된 소재들의 집합체 덕분에 놀라운 성능을 보여주고 있습니다. 이번 포스팅에서는 리튬이온 배터리의 중심부로 모험을 떠나 핵심 소재를 분석하며 중요한 역할을 설명하고자 합니다. 배터리를 구성하는 4대 소재인 양극, 음극, 전해질, 분리막은 물론, 그 외 리튬이온 전지를 제조하기 위한 추가 소재에 이르기까지 휴대용 기기와 전기 자동차의 동력을 제공하는 소재들을 알아보고자 합니다. 앞서 포스트에서 설명한 바와 같이, 전기화학적 반응은 리튬이온 전자의 이동에 따라 나타나는데, 전자의 방출은 우선 양극에서 이루어지게 됩니다. 이를 위해 양극에는 다양한 양극활물질이 채택되며, 최근에는 고성능 중심의 NMC와 가격 경쟁력이 높은 LFP가 활발히 채용/개발되고 있습니다. NMC는 니켈, 망간, 코발트의 화합물로 이 다용도 혼합물은 에너지 밀도, 출력 및 내구성의 균형 잡힌 조합을 제공합니다. 그리고 LFP는 리튬, 철, 인산염으로 구성되며, 탁월한 열 안정성과 긴 사이클 수명으로 유명합니다. 이러한 특성은 안전성이 가장 중요한 응용 분야에서 선호되는 선택입니다. 그리고 메인 소재는 아니나, LCO(리튬 코발트 산화물)와 같은 물질도 양극활물질로 사용되기도 하나, 이들은 높은 에너지 밀도를 제공하지만 열 스트레스에 더 민감할 수 있습니다. 앞선 포스트에서 설명한 바와 같이, 배터리의 화재를 유발 할 수 있는 원인을 제공할 수 있기 때문에, 안전성 측면에서 다소 열위에 있습니다.
2. 주요 음극활물질 흑연, 차세대 음극재 실리콘과 리튬메탈
앞에서 주요 양극활물질에 대해 알아보았다면, 이번에는 리튬이온 전자를 저장하는 음극활물질에 대해 알아 보고자 합니다. 현재 가장 많이 사용되는 음극활물질은 흑연으로, 연필심으로 이해하면 좋습니다. 흑연은 매우 오랫동안 안정적인 성능과 상대적으로 저렴한 가격을 제공하는 전 세계적인 표준 소재였으나, 그 저장의 한계가 명확하여 차세대 음극소재에 대한 연구가 활발히 진행 중입니다. 현재 가장 대표적인 것은 실리콘 음극재로, 이는 높은 리튬이온 저장용량을 가진 실리콘이 유망한 경쟁자로 부각되고 있습니다. 실리콘 음극재는 부피 팽창 및 수축과 관련된 문제가 존재하여 연구가 한창 진행되고 있으며, 그 자체로 사용되기보다는 흑연 95%에 실리콘 5% 수준에서 개발이 이루어지고 있습니다. 성능에 대한 이유도 있지만, 대중적인 가격 책정을 위해서도 실리콘을 소량만 넣고 있는 것이 현실입니다. 실리콘 다음으로 언급되고 있는 음극소재는 리튬메탈로, 이는 최대 에너지 저장 용량을 확보하고 있는 궁극의 음극재라 할 수 있습니다. 역설적인 점은 리튬이온 배터리가 초기 개발되었을 때에는 이 리튬메탈이 음극재로 사용되었습니다. 그러나, 당시 전지제조사였던 캐나다의 몰리에너지는 리튬메탈의 발화 사고로 인해, 파산에 이르렀고 이후 안정적인 음극소재 개발을 통해 흑연이 등장, 현재 약 30년이 이르는 동안 리튬이온배터리의 핵심소재로 자리 잡았습니다. 사실, 당시 발화 사고는 최근 열폭주와 같은 큰 사고는 아니었으며, 노트북의 작은 화재였다고 합니다.
3. 분리막과 액체 전해질 그리고 고체전해질
양극과 음극 사이에는 분리막이 놓여 있고 전해질은 전극을 목욕시켜 리튬 이온의 이동을 제어할 수 있습니다. 현재 가장 많이 사용되고 있는 분리막은 리튬이온 전자의 흐름을 허용하면서 양극과 음극 사이의 물리적 접촉을 방지하도록 설계된 다공성 고분자 막입니다. 그리고 가장 대중적으로 채택되고 있는 전해질은 유기 용매에 용해된 리튬염을 기반으로 하는 액체 전해질입니다. 현재 기술력으로는 액체 전해질이 현실적이나, 양극과 음극이 서로만나는 쇼트 현상이 일어날 경우, 전해질이 반응하며 폭발이 일어나는 매우 위험한 상황이 연출될 수 있습니다. 이에 고체 전해질이 차세대 소재로 연구 개발되고 있으며, 이를 통해 화재를 원천 차단하는 방안을 모색 중이지만, 상용화 단계는 아직 많이 남았다는 것이 중론입니다. 가장 큰 이유는 리튬이온 전자의 이동이 액체 전해질에 비해 현저히 떨어지기 때문입니다. 리튬 이온 배터리를 구성하고 있는 다양한 소재들의 조화는 리튬이온 전자의 이동을 조율하여 에너지 저장 능력과 수명 및 출력 특성을 제공합니다. 특히, 주요 4대 소재의 각 구성 요소는 효율적이고 안전한 에너지 저장을 보장하는 데 매우 핵심적인 역할을 합니다. 앞으로 더욱 계속해서 발전되리라 예상되는 소재 기술과 이차전지 제조 기술에 따라, 리튬이온 배터리의 미래는 그 어느 때보다 밝아 보입니다.