<함께 보면 좋은 포스팅>
리튬이온배터리의 4대 구성요소
양극 : 충전 시 리튬이온은 제공
음극 : 리튬이온을 저장하는 곳
전해질 : 리튬이온의 이동 통로
분리막 : 양/음극에서 발생한 전자가 외부 회로로 통할 수 있도록 내부 단락을 방지
4대 구성요소에 대해 보다 자세히 알아보았습니다.
1. 양극재(Cathode)
리튬이온배터리에서 양극은 리튬이 들어가는 공간입니다.
이때, 리튬은 원소 상태에서는 반응이 불안정하기 때문에 산소와 만나 리튬산화물이 양극에 사용됩니다.
흔히 말하는 양극 활물질이란, 리튬산화물과 같이 배터리의 전극 반응에 관여하는 물질을 말합니다.
즉, 리튬이온배터리 양극 활물질로 리튬산화물이 사용되는 것입니다.
양극은 특히, 배터리의 용량, 전압 특성을 결정짓는 핵심 소재입니다.
리튬을 많이 포함하면 용량이 커지게 되고, 양/음극의 전위차가 크면 전압이 커집니다.
일반적으로 음극은 종류에 따른 전위차가 작지만, 양극은 상대적으로 종류에 따른 전위차가 크기 때문에
양극이 배터리 전압을 결정짓는 데 중요합니다.
양극재의 열 반응성 순서
LCO > NCA > NCM > LMO > LFP
LFP계 양극재(올리빈구조)는 P=O 공유결합으로 타 양극재에 비해 원자의 탈락이 어려워 열 안정성이 우수합니다.
2. 음극재(Anode)
음극 활물질은 충전 시 양극으로부터 나온 리튬이온(Li+)을 받고 방전 시에는 전자를 외부 회로를 통해 방출하여 전류를 흐르게 하는 역할을 합니다. 음극으로는 안정적인 구조를 지닌 흑연(그라파이트, Graphite)이 사용됩니다.
음극재는 배터리에서 충전속도와 수명에 영향을 끼치게 됩니다.
음극재의 요구특성으로는 구조 안정성, 낮은 전자화학 반응성, 리튬이온을 많이 저장할 수 있는 조건, 합리적인 가격 등 이 있다.
쉽게 말하면 음극재는 양극에서 나오는 리튬이온을 저장했다가 방출하는 역할을 합니다.
흑연 중에서 천연흑연은 자연에 있는 자원을 활용하기 때문에 제조원가가 상대적으로 저렵하고, 인조흑연에 비해 큰 편이다. 하지만, 리튬이온의 충/방전(삽입/탈리) 반응 시 리튬이온이 흑연층 사이에 머물게 되면 흑연의 부피가 팽창해(스웰링)
배터리 구조 변화를 유발하는 단점이 있습니다. 이를 개선하기 위해 인조흑연을 사용하기도 합니다. 인조흑연은 충전속도와 출력이 뛰어나지만 인공적으로 제조해야 하므로 제조비가 비싸고, 용량이 적습니다.
3. 전해액(Electrolyte)
리튬이온은 전해액을 통해 이동하고, 전자는 도선을 통해 이동합니다. 만약 전자가 도선이 아니라 전해액을 통해 이동하면 전기에너지를 사용할 수 없을 뿐 아니라 배터리 내부단락으로 열폭주 등 안전성 문제까지 발생할 수 있습니다.
전해액은 양/음극 사이에서 리튬이온을 이동할 수 있도록 하는 매개체로 양/음극 표면을 안정화시키고 배터리 수명과 셀 특성을 향상하는 역할을 하고 있습니다.
전해액의 요구특성으로는 리튬이온을 잘 이동할 수 있도록 이온 전도도가 높은 물질이 요구됩니다.
4. 분리막
양극 음극이 배터리의 기본 성능을 결정한다면 전해액과 분리막은 배터리의 안전성과 관련된 요소입니다.
분리막은 특히, 양극 음극이 서로 맞닿지 않도록 물리적으로 막아주는 역할을 하고 있습니다.(단락, 쇼트 예방)
전자는 전해액을 통하지 않도록 하고, 분리막 내부 미세 기공을 통해 원하는 리튬이온만을 이동할 수 있게 합니다.
즉, 분리막은 이러한 물리적, 전기화학적 조건이 요구됩니다.
분리막의 소재로는 PP, PE 등 절연특성이 뛰어난 고분자 소재를 사용합니다. 이러한 소재들을 연신하여 미세 기공을 만들고 그 방식에 따라 건식, 습식제조로 나뉩니다.
분리막 제조방식(건식/습식)
분리막은 제조 방식에 따라 크게 건식, 습식으로 나뉘게 됩니다.
건식제조에서는 단순히 기계적인 힘으로 필름 원단을 당겨 기공을 만드는 방식입니다.
습식공정에 비해 제조공정이 간단하고 유해물질이 나오지 않아 친환경적입니다. 하지만 기공 사이즈가 불균일하고, 습식에 비해 기계적 강도가 약합니다. 이러한 건식 분리막은 주로 전기 버스와 같이 습식보다는 저렵하지만 분리막의 두께를 두꺼워 에너지밀도를 높이는 데 적합하지 않은 곳에 사용됩니다.
한편, 습식 분리막은 건식에 비해 얇아 에너지 밀도를 높이는 데 초점을 맞추고 있는 상용 전기차에서 주로 사용됩니다.
습식제조는 PE원료를 고온 고압으로 납작하게 만드는 압출, 연신, 화학처리 등을 거칩니다. 압축된 PE 시트가 식으면서 천천히 굳을 때 필름 틈에 채워져 있던 것들이 빠지면서 기공이 생깁니다.
습식제조의 장점은 초기 투자비가 많이 들고 유해물질이 발생하지만 제작이 간편하고 기공이 균일합니다.
또한 습식은 건식 분리막에 비해 상대적으로 가격은 비싸지만 얇아 에너지밀도를 높이기 적합합니다.
5. 전기자동차 배터리 셀 원가구조
블룸버그 자료를 가져와 봤습니다. 양극재 51% 제조비 및 감가상각비 24% 음극재 12% 전해액 7% 분리막 4% 기타 3% 차지하고 있습니다. 포스코, 앨엔에프, 에코프로, 코스모신소재 등 양극재 기업에 관심히 쏠릴 수 밖에 없겠네요.
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