리튬이온배터리 : 하이니켈 양극재와 인산철 양극재

리튬이온배터리 2차전지의 양극소재에 대해서 알아보자

리튬이온배터리

양극재

2차전지 리튬이온배터리의 양극재는 리튬이온을 제공해주는 소스로 음극과의 정말 지를 이루었을 때 고 에너지를 발현하기 위해서 전압이 높아야 한다. 현재 상용 중인 양극재는 NCM이나 NCA와 같은 층상구조 양극재가 주를 이루고 있으며,

최근엔 LFP(인산철)과 같은 올리빈 구조의 양극재도 주목받고 있다.

 

양극재가 지녀야 할 요소 중 하나인 고전압은 사실 어느 정도의 한계가 있다고 말할 수 있다.

LNMO(LiNi0. 5Mn1. 5O4) 양극재의 경우 5V까지 operation이 가능하지만, 사실 이 정도 수준에 오면 전해질이 먼저 분해되어 버리는 일이 발생하기 때문이다.

실제로 고전압대를 버티는 전해질을 개발해도 음극에서 치명적인 문제가 발생하기 때문에 현재까지는 상용화가 어렵다.

 

하여 보통 충전은 4.3V까지가 마지노선이며 이렇게 설정하였을 때 평균 작동 전압은 3.7 V 수준으로 볼 수 있다. 현재 상용되고 있는 양극재도 이 수준이다.

하지만, LFP는 전압 구간이 낮은 편인데 (작동전압 3.4 V) 에너지가 용량과 전압의 곱임을 고려하였을 때 에너지 밀도 측면에서 불리한 소재이다. 하지만 왜 현재 이렇게 이슈가 되고 있는지 차근차근 살펴보도록 하자.

 

 

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리튬이온배터리 vs 리튬메탈배터리 그 차이점은?

 

하이니켈 층상구조 양극재

흔히 NCM / NCA 등으로 알려진 하이니켈 층상구조 양극재는 비싼 원재료인 코발트 대체와 고용량을 위해 코발트가 점점 니켈로 대체되면서 지금까지 만들어지고 있다고 볼 수 있겠다.

 

흔히 니켈의 함량이 많아지면 용량이 커지고, 에너지 = 용량 X 전압임을 감안하였을 때 에너지를 많이 낼 수 있음을 의미한다. 하지만 니켈 함량이 높아짐에 따라 합성을 하거나 전극제조공정이 까다로워지는 건 피할 수 없다.

 

-하이니켈 양극재로 갈수록 다루기 까다로워지는 부분-

 

합성 시

니켈, 코발트, 망간 중 니켈의 함량이 이들 중 60% 이상 넘어간다면 공기 중에서 합성이 어렵다. 이는 합성 시 생기는 cation mixing 때문인데 이로 인해 산소 분위기에서 합성을 진행해야 하고 그에 따라 공정이 까다로워지게 된다. 또한 공침법 이후 NCM 전구체와 Li source와 고상법으로 NCM을 만들 때 더 비싼 Li source를 사용해야 한다고 한다.

 

그 후 표면에 남아있는 잔류 리튬을 제거하기 위해 수세공정을 한 번 거쳐야한다.

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전극제조시

기본적으로 니켈의 함량이 올라갈수록 powder는 수분에 취약해진다. 이는 전극제조 시 dry room이 필요하며 공정비용의 증가를 의미한다.

 

그럼 하이니켈이 이 모든 걸 감안하고서도 좋은 물질인 것이냐에 대해서는 그럴 수도 있고, 한계가 존재할 수도 있다.

니켈의 함량이 증가됨에 따라 열적 안정성이 떨어지고, 셀의 퇴화가 급격하게 진행되는 일이 발생한다.

 

이를 막기 위해 single crystal particle이 연구되고 있고 긍정적으로 검토되기도 한다.

 

LFP / 인산철 양극재

인산철 양극재는 특허 이슈로 중국에서 밖에 생산이 안 되는 물질이었지만, 곧 특허가 만료되어 최근에 관심이 모아진 소재이다.

 

장점으로는 값이 싸서 현재 비싸디 비싼 배터리의 값을 내릴 수 있는 소재라는 것과 안전하다는 소재라는 것이다.

 

하지만, 단점 또한 셀 수 없이 많다.

 

- 전도도 부족으로 탄소를 코팅해서 써야 한다.

- 공정비용이 천차만별이다; 비싼 공정과 싼 공정의 가격차이가 심하다.

- 전도도 부족으로 nano size로 particle을 줄여야 한다.

 

사실 이 중에서도 소재를 nano size를 줄이는 게 전극제조 공정에서 큰 타격을 줄 수 있다.

소재가 작아지면 그만큼 바인더와 도전재가 더 들어가게 되고 파우더가 작아 mixing 시 섞이지 않고 날리다 보니 mixing 시간도 더 오래 걸리는 문제가 발생한다. 

 

더군다나 앞에서 말한 낮은 작동 전압으로 에너지 밀도가 낮아져 전기차의 배터리에는 부적합하다는 의견도 많이 나오고 있다.

하여, 요즘은 LFP를 전기차 배터리가 아닌 ESS로 사용하자는 이야기가 많이 나오고 있고, ESS로 사용하는 측면에서는 그리 힘들 것 같지 않아 보인다.

 

https://kkangjeong2.tistory.com/85

Pure silicon이 음극에 적용되려면 해결해야하는 문제점 / 리튬이온배터리