2차전지 소재(음극재)

2차전지는 4가지 요소로 구성되어있다. 양극재, 전해액, 분리막, 음극재 이다. 그중 오늘은 음극재에 대해서 알아보자.

배터리는 양극과 음극이 있다. 양극의 리튬이온이 음극으로 이동하면서 배터리가 충전되며, 그 반대로 리튬 이온이 양극으로 이동하면 배터리가 방전이 되는 원리를 가지고 있다. 여기서 중요한건 배터리의 충전속도와 수명이, 오늘 알아볼 음극재가 기여하고 있다.

 

음극재 역할

음극은 양극에서 나온 리튬이온을 저장 및 방출하면서 외부회로를 통해 전류를 흐르게 하는 역할을 한다. 음극재는 배터리 충전 때 양극에서 오는 리튬이온을  음극으로 이동하는데 이를 받아들이는 소재이다. 음극재는 음극활물질, 도전재, 바인더로 이루어 졌다. 

 

음극활물질 구성요소

우선 음극재 구성소중 음극활물질의 구성요소를 알아보자.음극활물질은 흑연과, 실리콘(Si)을 사용하고 있다.

흑연 : 오래전부터 꾸준하게 음극활물질로 가장 많이 사용되고 있다. 흑연은 규칙적인 형태로 층상구조를 가지고 있다. 이 층상구조 덕분에 리튬이온이 흑연층 사이에 저장이 되는데, 리튬이온이 흑연에 들어가면 팽창되어 미세하게 부피가 늘어난다. 이게 반복되면서 흑연의 구조를 변화시켜 배터리 수명을 감소시킨다. 흑연에도 아래와 같이 여러 종류가 있다.

 천연흑연

  - 내부 층상구조의 발달로 리튬이온을 안정적으로 저장할 수 있는 음극재

  - 용량(mAh/g) :350~370/  출력 : 하 / 수명 : 상

  - 장점: 용량이 크다, 높은 전도율, 고출력 / 단점 : 수명 짧고 충전속도가 느리다.

 인조흑연

  - 전기차 배터리 수명은 늘리고 충전시간은 단축시킬 수 있는 음극재로 코크스를 형상 가공 후 고온으로 열처리를 통해 만든다.

  - 용량(mAh/g) :270~360/  출력 : 중 / 수명 : 상 

  - 장점: 고출력, 장수명, 가격경쟁력 / 단점 : 용량 중간, 비싼가격

실리콘 : 흑연계 음극재 보다 고용량, 고출력의 성능을 가지고 있어 전기차 배터리의 주행거리를 늘릴 수 있는 차세대 소재로 주목받고 있다.실리콘은 원자 4개당 리튬이온 15개를 저장할수 있어 원자 6개당 리튬이온 1개를 저장하는 흑연보다 용량이 20배나 높다. 또한, 에너지 밀도부분도 흑연은 1g에 350mAh에 비해, 실리콘은 1500~2000mAh로 흑연보다 4배다 좋다. 이를통해 전기차 충전시간을 획기적으로 줄일 수 있는 장점이 있다.하지만 부피 팽창이 크고, 일차효율이 낮으며, 순환 성능이 떨어지는 단점이 있다.

 금속계(SiOx, Si탄소계)

  - 흑연보다 10배 이상의 에너지 용량을 가지고 있으며  현재 실리콘 입자를 나노 사이즈로 만들어야 하기 때문에, 기술적 수준과 비용의 문          제가 있다. 현재는 기존 흑연에 실리콘을 소량 첨가하는 방식으로 상용화 되고 있으며, 기술적 한계로 5~10%까지만 첨가한다.

  - 용량(mAh/g) :700~1000/  출력 : 중 / 수명 : 낮음

  - 장점: 용량이 크다, 고출력 / 단점 : 비싼가격, 수명 짧다

 주석(Sn)

  - 주석은 Li과 반응하여 이론 용량이 990mAh/g으로 많이 연구되고 있으며, 주석산화물은 일반적으로 매우 높은 초기 방전용량을 가진다. 

다만 단점은 이 주석은 리튬과 반응 시 100~300% 범위의 부피 변화가 크기때문에 아직은 좀더 연구가 필요하다.

 

도전재 

 - 우선 도전재란 양극활물질과 음극 활물질 사이에서 전자가 잘 이동할 수 있게 도움을 주는 물질이다. 그런데 CNT(탄소나노튜브) 도전재라는 말이 많이 쓰이고 있다. 이는 기존의 도전재보다 전자가 더욱 잘 이동할 수 있게 도움을 준다고 생각하면 된다. 기존의 도전재는 "카본 블랙" 이라고 하는 것인데 이것보다 5분의1 정도의 물질만 쓰는데도 더 전도성이 좋다고한다. 그럼 남은 부분은 양극재랑 음극재 양을 더 넣을수 있는 장점이 있다. 최근 대다수 중대형 배터리 업체들이 실리콘을 사용하는 음극재 방향으로 개발을 추진하면서, 실리콘 음극재의 팽창을 잡아주는 보완재로서 CNT 도전재의 중요성이 부각되고 있다.

  - 장점: 음극재 팽창 감소, 배터리 용량 및 출력 증가, 충전시간 단축, 배터리 수명 연장 

  - 단점: 뭉침현상이 강해서, 사용하기 까다롭다.

  - 양극재용 CNT도전재는  MWCNT(Multi-Walled CNT)가 사용되며, 음극재용 CNT도전재는 SWCNT(Single-Walled CNT)가 사용된다.

※ CNT는 높은 전기 전도도(구리선의 1000배) 와 뛰어난 열전도율(다이아몬드 2배), 높은 내약품성 및 가볍다. 또한 철강의 100배가 넘는 강도와 높은 인장강도 갖고있다.

 

바인더

 - 바인더는 집전체(기재: 외부로 전자가 이동하는 통로) 위에 활물질을 코팅할 때, 활물질이 극판에 잘 코팅이 되도록 하는 역할이다. 즉, 소재간 접착력과 분산성을 높이기 위해 사용된다. 최근 실리콘 음극재 채택이 늘면서 바인더가 리튬화 반응에 많은 영향을 주어 전극 용량 및 사이클 안정성 향상에 도움이 되면서, 바인더 연구가 좀 더 활발하게 진행중이다. 바인더는 용제계 바인더, 수계 바인더로 나뉜다.

 용제계 바인더

   - PVDF(폴리비닐리덴 플로라이드) 불소수지를 사용했다. 용매로는 NMP를 주로 사용한다.

 

   - 최근 양극재에는 PTFE(폴리테트라플루오르에틸렌, 테프론) 바인더가, 내화학성, 내열성이 매우 뛰어나며, 건식 전극 공정이나 전고체 전지에 주목을 받고 있다. 

  수계 바인더

   - 최소한의 접착만으로 유연하면서도 단단히 묶어줄 수 있고, PVDF계 보다 결착 특성이 우수하다. 용매로는 물을 사용하는 추세이다.

   - SBR/CMC(스티렌-부타디엔 고무 와 카르복실메틸셀룰로오스계 바인더)는 주로 흑연 음극재에서 사용하고 실리콘 음극재에서는 부피 변화가 커서 사용에 부적합하다.

 

   - 최근 실리콘 음극재에는 PAA(폴리아크릴산), PI(폴리이미드)계 바인더등이 각광받고 있다,위의 SBR/CMC에 비해 인장강도가 높고, 접착력이 높아 실리콘의 부피 팽창에 강하며 활물질을 감싸서 안정적인 SEI층을 형성하기 때문이다.