2차 전지에 대해 알아봅시다.

Li(리튬) 광물 예시 사진

2차 전지에 대해 알아보겠습니다.

2차 전지는 방전 후에도 다시 충전 후 사용이 가능한 배터리를 말합니다. 충－방전을 반복할 수 있는 전지로 양극, 음극, 전해질, 분리막, 용기로 구성되어 있습니다. 충전원리와 양극재와 종류, 음극재와 종류에 대해 알아보겠습니다.

2차 전지에 충전원리

간단하게 설명하겠습니다.

2차 전지의 충전은 양극에서 분리막을 지나 음극으로 이동하며, 방전은 음극에서 양극으로 이동하면서 배터리가 소모되는 것입니다. 미래 이동 수단으로 꼽히는 친환경 전기차에 필수소재인 리튬이온 배터리가 대표적인 2차 전지로 알려져 있습니다.

양극재

양극재: 리튬이온 소스로 배터리의 용량과 평균 전압을 결정합니다.

배터리의 성능을 결정하고, 용량과 출력을 결정하는 소재입니다.

양극재 종류: 리튬(Li). 망간(Mn), 코발트(Co), 니켈(Ni), 알루미늄(AL) 이 있습니다.

배터리 업계는 오랜 연구 끝에 양극재의 중요 금속원소로 리튬(Li). 망간(Mn), 코발트(Co), 니켈(Ni), 알루미늄(AL) 를 선정했습니다. 이 금속원소들은 배터리에서 각자의 특징을 가지고 있습니다. 니켈(Ni)의 함유량이 높아지면 용량이 커지는 특징을 가지고 있습니다. 망간(Mn)의 함유량이 높아지면 가격이 낮아지고, 열안전성이 높아진다는 특징을 가지고 있습니다.

코발트(Co)의 함유량이 높아지면 배터리 수명이 늘어나는 특징을 가지고 있습니다. 알루미늄(AL)은 출력 특성을 향상하는 특징을 가지고 있습니다. 이 금속원소의 조합은 배터리 성능을 나타내는 중요한 지표입니다.

최근 주목 받는 조합은 니켈(Ni) 함유량이 높은 '하이니켈' 양극재입니다. 이유는 배터리 용량이 크고, 다른 조합에 비해 단가가 낮기 때문입니다. 니켈(Ni)의 함유량이 높은 양극재는 NCM, NCA 가 있습니다. 니켈, 코발트, 망간으로 이뤄진 배터리를 삼원계라고 합니다. 가장 많이 사용되고 있는 배터리 조합입니다.

양극재 조합 5가지

NCM[니켈(Ni)+코발트(Co)+망간(Mn) : 니켈 코발트 망간의 조합으로 현재 가장 많이 사용되고 있습니다.

NCA [니켈(Ni)+코발트(Co)+알루미늄(AL)]: 에너지밀도와 출력이 다른 조합보다 높다는 특징을 가지고 있습니다.

LCO [리튬(Li)+코발트(Co)] : 긴 수명과 높은 에너지밀도, 리튬 2차 전지 상업화 초기에 많이 사용되었습니다.

LMO [리튬(Li)+코발트(Co)] : 망간을 이용해 가격이 저렴하고, 구조적 안정성에는 우수하나 고온에는 취약한 단점을 가지고 있습니다.

LFP [리튬(Li)+인산철(FePo4)] :리튬이온전지 (폴리머 포함) 비교 시 발열성이 없고, 가연성 또는 폭발 등을 일으키지 않아 안전성이 좋고, 배터리 용량을 키울 때 부피가 다른 2차전 지보다 커지는 단점이 있습니다.

 

음극재

양극에서 나온 리튬이온을 저장했다가 방출하면서 외부 회로를 통해 전류를 흐르게 합니다.

배터리의 수명을 결정하고, 안정적인 구조와 낮은 전자 화학반응성, 리튬이온을 많이 저장할 수 있는 소재입니다.

원료로 흑연이 있고, 인조흑연과 천연흑연이 있습니다. 실리콘을 첨가제로 섞으면 배터리의 효율이 상승되지만, 배합을 제대로 못했을 시 배터리의 안정성이 떨어져 폭발의 위험이 있습니다.

음극재 종류: 천연흑연, 인조흑연 등이 있습니다.

천연흑연은 흑연광산에서 흑연이 5~15% 정도로 함유된 채로 캐낸 천연 흑연광을 순도 99.5% 이상으로 화학 처리를 하는 공정을 거치게 되는 것을 말합니다. 그래서 천연흑연은 원가와 용량에서 강점을 가지고 있습니다.

인조흑연은 천연 광물이 아닌 석유, 콜타르, 코크스 같은 탄소 전구체를 이용하여 3000℃ 이상의 고온으로 가열하여 생성된 흑연입니다. 인조흑연은 고열을 가해서 흑연의 고결정성 구조를 만들기 때문에 천연흑연보다는 조직이 안정적이고 수명이 3배 정도 우수합니다. 천연흑연보다 비싸지만 전기차용으로는 성능 향상에 도움이 되는 인조흑연의 사용이 확대되고 있습니다.