2차전지 종류
2차전지는 충전이 가능한 전지를 의미한다.
어떤 소재를 사용하는가에 따라 이름이 결정된다.
종류로는 납축전지, 니켈카드뮴전지, 니켈수소전지, 리튬이온전지가 있다.
이 중 가장 널리 사용되는 리튬이온전지를 보려고 한다. 리튬은 가장 가벼운 알칼리 금속이고, 가장 낮은 표준산화환원전위(standard redox potention)을 가지고 있는 원소라 음극 물질으로 가장 많이 사용된다.
하지만 수분이나 공기와 산화 반응을 일으키므로 리튬 금속 자체를 음극으로 적용하는게 아니라 흑연을 음극으로 사용하는 것이 상용화되어 보편적으로 사용되고 있다. (음극 : LiC6) [1]
리튬이온배터리의 기본 구조 및 작동 원리
1. 리튬이차전지의 구성요소와 역할
- 양극/음극 : 산화환원반응이 일어나는 장소
- 전해질 : 리튬 이온을 전달
- 분리막 : 양극과 음극이 맞붙지 않도록 전기적으로 절연시켜주는 역할
- 집전체 : 발전한 전기를 모으는 전기 전도체의 역할과 지지체의 역할
- 바인더 : 집전박에 혼합한 재료를 결착시키는 역할
2. 구성 물질
ㅁ 전극
: 전극은 전극재, 도전재, 바인더, 집전체로 구성됨.
- 음극 : 동박에 전도성이 높은 탄소계 재료를 도포한 것
- 양극 : 알루미늄박에 리튬복합산화물(리튬,망간,코발트,니켈,인산철 등)을 도포한 것
- 도전재 : 카본블랙
- 바인더 : PVDF 등 고분자 소재
- 집전체(양극) : 알루미늄박
- 집전체(음극) : 구리 동박
ㅁ 전해질
: 리튬염을 카보네이트계열 유기용매로 용해시킨 것
ㅁ 분리막
: 폴리에틸렌과 같은 폴리올레핀계 다공성 막
3. 작동원리
ㅁ 방전
- 음극 : (산화반응) 리튬이 리튬이온으로 산화된 후 전해질을 통해 양극으로 이동하고, 발생된 전자는 외부도선을 통해 양극으로 이동
- 양극 : (환원반응) 음극으로부터 이동해 온 리튬이온이 삽입되면서 전자를 받아들임.
ㅁ 충전
- 양극 : (산화반응)
- 음극 : (환원반응)
소재별 분류
ㅁ 양극재
- 리튬이온전지는 양극재의 종류에 따라 세분화 가능하다.
- 리튬이온배터리 제조원가의 35%를 차지하는 핵심 소재이다.
- 배터리의 용량과 평균 전압을 결정한다. (에너지 양 = 배터리 용량 x 전압)
- 전지 내 전기에너지 저장/방출을 가능하게 하는 원료이다. 어느 원소를 어떤 비율로 조합하느냐에 따라 용량, 에너지밀도, 안정성, 수명, 가격경쟁력이 달라진다.
. 용량 = 주행거리
. 에너지밀도 = 전기차 출력
. 안정성 = 배터리 화재 등 사고 제어 능력
. 수명 = 배터리 사용기간
- 우리나라 배터리 사업자의 경우, NCM, NCA 두 종류의 삼원계 배터리를 주력으로 하고 있고, 주행거리와 출력이 우수한 NCM 양극재가 현재 전기차용 이차전지로 가장 많이 사용하고 있다.
- 최근 원자재 가격 변동에 따라 값비싼 코발트 함량을 줄이고, 니켈 함량을 늘린 하이니켈배터리가 개발되는 추세
- 니켈 함량이 높아지면 주행거리가 높아지나 안정성이 떨어지므로 안정성을 높이기 위한 연구 필요
- NCA는 알루미늄이 포함돼 타 소재에 비해 배터리 밀도와 출력이 높음. 원통형 배터리 등 소형전지에 쓰임.
| 양극재 종류 | 장점 | 단점 | 주요 사용처 |
| 코발트계 (LiCoO2) | 코발트 값이 비쌈. 열 폭주 위험. (차량용 부적합) |
모바일 기기 | |
| NCM (Ni-Co-Mn, Ni 80%) |
고용량 높은 열안정성 낮은 저항성 |
전기차 IT디바이스 |
|
| NCMA (NCM에 알루미늄 첨가) |
고용량 낮은저항성 NCM 대비 높은 열안정성 |
전기차 전동기계 |
|
| NCA | 가장 용량이 큼 | 전기차 | |
| LFP (LiFePO4) |
높은 안전성 저렴한 비용(코발트,니켈x) |
낮은 에너지 밀도 |
ㅁ 음극재
음극재는 많은 이온을 저장할 수 있는 흑연이 주로 사용된다. 하지만 리튬 이온 충방전을 반복하며 흑연 구조가 변화하며 저장할 수 있는 이온의 양이 줄어들고, 이는 배터리의 수명과 관련이 있다. 흑연 외에 용량이 크고 충전속도가 빠른 실리콘 음극재 등 차세대 음극재 개발이 이뤄지고 있다.
형태별 분류
원통형 : 가장 비용이 저렴하고 용량밀도가 높음.
각형 : 케이스 소재에 따라 극성이 달라짐. (철, 알루미늄)
라미네이트형 : 리튬폴리머전지라고도 불림. 필름으로 라미네이트 처리한 셀 이용하여 두께를 줄임.
전망
리튬이온2차전지 시장은 전기차, ESS 시장의 성장으로 급속하게 성장될 것이다. 에너지 밀도가 높고, 싸고, 작고, 안전한 배터리 개발이 이뤄져야 한다. 싸게 만들기 위해서는 배터리 중 30% 이상을 차지하는 양극재 소재 가격을 낮춰야 한다. 하지만 시장의 원리로 볼 때 증가하는 수요로 가격은 높아질 것이고, 더 심각한 것은 수급문제가 생길 수도 있다는 것이다. 그러므로 배터리 양극재 소재 다양화가 필수적이다. 이에 글로벌 완성차 기업들이 LFP 배터리 채택을 발표했고, 글로벌 투자 은행 USB는 '30년 보급 비율을 15%에서 40%로 상향 발표했다. 에너지 밀도가 낮다는 단점을 극복하기 위한 기술이 활발히 연구 중이다. 만약 이 기술이 발전된다면 배터리 시장의 판도를 흔들 수 있을 것이다. (中 LFP 배터리의 역습…"싸구려라는 말도 이젠 옛말" - ZDNet korea)
국내3사(LG,삼성SDI,SK온)도 LFP 배터리 개발을 진행하겠다고 발표했으나 선도 업체인 중국 CATL, BYD를 단기간 따라 잡기는 어렵다고 본다. 하지만 기술의 판도가 바뀔 수 있는 상황을 고려해 LFP 배터리 기술 개발도 병행해야 한다고 본다. 동시에 NCM, NCMA에서 코발트의 양을 줄일 수 있는 기술도 개발하거나 코발트 공급망 다양화 또는 확보 노력이 필요하다.
출처
[1] 리튬이차전지 전극소재 연구동향, J. Korean Powder Metall. Inst., Vol. 21, No. 6, 473-479, 2014
[2] Industrial trend of lithium ion battery, J, H, Kang, Korea Eimbank Overseas Econominc Research Instiute : KERI,
2011
리튬이온 배터리의 4대 요소 (samsungsdi.co.kr)
[3] 리튬 이온 전지·차세대 전지에 관한 최신 관찰과 해석 | 전자 디바이스 업계 | 4K 디지털현미경 해석 사례 및 솔루션 | KOREA KEYENCE
[4][궁금한 THE 이야기] ② 배터리 성능을 올려라! ‘양극재’ A to Z – 포스코뉴스룸 (posco.com)
'ESS' 카테고리의 다른 글
| 2023.4.7 배터리산업, 북미시장 진출 위해 5년간 7조원 투입 (0) | 2023.04.14 |
|---|---|
| 2023.3.16 리튬 최대 생산지 서호주와 핵심광물 공급망 협력 (0) | 2023.04.05 |
| ESS 유망 사업분야 검토 - 효성중공업, 글로벌 No.1 ESS기업 도약한다(2022.11.4) (0) | 2023.04.05 |
