배터리, 이차전지 기초 구성

최근 전기 자동차의 상용화로 가장 주목받은 산업은 누가 머라 해도 이차전지입니다. 2차 전지 라고 하면 기존의 배터리와는 어떻게 다른지 그리고 다양한 기업에서 개발 중인 수많은 종류의 이차전지들을 이해하기 위한 기초가 궁금하신 분들을 위해 LG엔솔에서 발간한 리포트를 요약해 보았습니다. 

 

아래 내용의 출처는 2023년 LG 에너지 솔루션에서 출간한 ENSOLPEDIA리포트입니다. 

 

이차전지의 기초 구성

 

1. 이차전지의 종류(1번 사용 후에도 충전하여 사용 가능한 배터리를 말함)

 

납축전지  : 흔히 “밧데리” 라고 하는 내연자동차 등에 들어가는 배터리, 구조가 간단하고 대량생산이 가능해 많이 사용하지만 무거운 무게, 짧은 수명, 큰 부피, 방전 상태로 방치되면 수명과 성능이 떨어져 보조적인 역할만 하는 배터리 

 

니켈카드뮴 배터리 : 2차 전지의 시작, 작고 가벼우며 고출력이 가능해 초기”만능전지”로 불렸지만 카드뮴이 해로운 물질이고 방전 후 충전하지 않으면 성능이 저하되는 단점이 있음

 

리튬이온배터리 : 양극재, 음극재, 전해질, 분리막 의 4가지 요소로 이루어져 있음. 리튬이온이 양극재와 음극재 사이를 이동하는 화학 반응을 통해 전기를 만듦. 양극의 리튬이온이 음극으로 이용하면 충전/ 음극에서 양극으로 돌아가면서 에너지를 방출함. 

 

2. 이차전지의 구성

이차전지 소재

배터리 구성요소 : 양극재, 전해질, 분리막

안정적인 가격경쟁력과 급속충전과 안정성은 최근 가장 크제 부각되는 개발 방향(충전시간의 단축, 안전사고의 원천차단)

양극재 소재를 활발하게 연구되고 있음 

니켈, 코발트, 망가니즈, 알루미늄을 활용한 NCMA 단결정 양극재가 주목받고 있음 

 

리튬 : 양극재에 사용되며, 질량과 부피 대비 에너지밀도가 매우 높고 고속 충, 방전에 유리하다. 

탄산리튬 : 노트북, IT기기 등 소형전자기기 배터리에 사용

수산화리튬 : 전기차 같은 고밀도 고용량 배터리에 사용. 니켈과 합성이 쉬운 특징으로 배터리에서 니켈의 비중이 커지면 에너지밀도가 높아져 성능이 좋아짐

 

코발트 :  양극재의 부식 및 폭발 위험을 제어하는데 필수적인 물질이다. 수습이 불한 하여 배터리 제조원가의 20% 이상 차지한다. 

 

니켈 : 배터리의 용량, 에너지밀도를 높인다.

 

망가니즈 : 배터리의 안정성

 

알루미늄 : 배터리의 안정성을 더하면서 비싼 코발트 함량을 줄여 가격을 낮출수 있다. 배터리출력 개선에 도움을 준다. 

 

흑연 : 음극재의 대표소재, 인조 흑연이 천연흑연보다 내부 구조가 비교적 균일하고 안정적이어서 급속충전과 배터리 수명에 유리하다. 

 

실리콘 : 흑연보다 좋은 성능으로 차세대 음극제 소재

 

구리 : 음극재의 전지박에 사용됨

 

배터리의 구성

양극제 : 배터리의 성능에서 용량과 전압을 좌우함. 리튬의 비중이 높을 수록 배터리 용량이 커짐

음극재 : 배터리의 수명과 관련, 리튬이온을 오래, 많이 저장해야함. 흑연을 사용, 실리콘 음극재 같은 차세대 개발 활발

전해질 : 리튬이온의 이동을 돕는 매개체, 이온전도조가 높아야하고, 전기화학적으로 안정적이고, 발화점이 높아야 한다. 현재는 액제로된 전해질을 사용 중이나 고체나 젤 형태를 개발 중

분리박 : 리튬이온이 머무는 양극과 음극의 물리적 접촉을 막아줌, 분리막에 있는 미세 구멍으로 리튬이온의 이동이 가능, 소제로는 PE, PP등이 사용됨 소형화를 위해 분리막을 얇게 개발 중

삼원계 배터리 NCA(양극재의 종류)

• 리튬이온배터리의 양극 활물질은 리튬코발트산화물(LCO)을 기본으로 니켈과 다른 금속 원소를 더해 총 3개의 원소로 구성되는데 이렇게 3개의 원소로 이뤄진 것을 “삼원계 배터리”라고 부른다.

NCM : 니켈, 코발트, 망가니즈를 사용한 양극제 배터리

NCA : 니켈, 코발트, 알루미늄을 사용한 양극제 배터리 

니켈의 함량을 높임으로 더 높은 메너지밀도와 용량을 보이면 알루미늄을 통해 배터리 안전성과 출력에도 관여한다. 더불어 비싼 코발트 함량이 줄어 생산비도 낮출 수 있다. 다만 니켈의 에너지밀도가 높은 만큼 불안정하다는 한계가 있다. 이런 이유로 NCA양극재는 원통현 배터리 같은 소형배터리의 전동 공구에 주로 사용된다. 

 

• A(알루미늄)을 추가한 NCMA 사원계 배터리가 최근 주목받고 있음

 

 

3. 이차전지의 제조 과정 특징

제조과정의 요소

전구체(Precursor) : 어떤 화학반응을 통해 물질을 만들기 직전단계로 양극재 생산에서 리튬이 첨가되기 직전 니켈, 코발트, 망가니즈 등의 원료가 섞이 화합물이 양극재의 전구체이다. 

 

전해질 : 리튬이온이 배터리의 양극과 음극을 이동하는데 도움을 주는 전용도로, 이온전도도”가 높아야 하고, 화학적으로 안정되고, 어는점은 낮고, 발화점은 높아야한다. 리튬염, 유기용매, 첨가제로 구성됨

 

분리막 

건식 : 만들기 쉽지만 균일한 기공의 크기와 얇은 막 구현이 어려워 ESS, 전기 시내버스처럼 높은 에너지밀도가 필요 없는 영역이서 사용한다. 

습식 : 고온에서 파라핀 오일을 이용 고온 고압으로 압출하여 시트를 천천히 굳히면서 만들어 단가가 높지만 기공이 균일하고 얇아 높은 에너지밀도를 확보할 수 있다. 휴대폰, 노트북, 소형배터리, 전기차배터리 같은 고용량, 고출력 배터리에서 사용한다.