전기차 배터리 리튬이온배터리 음극재(천연 흑연, 인조 흑연 저장이론과 실리콘 음극재)

 

1. 프리뷰

 이전글에서 배터리에서 사용되는 용어에 대해 이야기하였고 리튬이온 배터리의 구성요소 4가지

• 양극재 (Positive electrode)
• 음극재 (Negative electrode)
• 전해질 (Electrolyte)
• 분리막 (Separator)

중 양극재까지 다루었다 이번글에서는 음극재에 대하여 한번 다뤄보도록 하자

 

리튬이온 배터리의 원리, 구성요소와 장단점

2024.01.18 - [전기차/전기차 배터리] - 양극재로 본 전기차 리튬이온 배터리 종류와 장단점 (NCM, NCMA, NCA, LFP)

 

 

2. 음극재의 역할

 이전 글에서 양극재는 리튬이온을 내보내는 곳이다. 그렇다면 당연히 그러한 이온들을 받아내는 곳이 필요하는 것이고

음극재는 그 리튬이온을 재정하는 공간이다. 여기까지 이해했다면 당연히 전자를 많이 받아들일수록 좋은 거구나 까지는 어렵지 않게 추론할 수 있다.

 위에서 설명했듯이 음극은 리튬이온을 저장하고 방출한다. 이를 직관적으로 표현하면 전하의 흐름이 발생하는 것이고 결론적으로 전류를 흐르게 하는 역할을 한다 표현할 수 있다. 음극재에서 양극재로의 흐름이 전기를 방전 양극재에서 음극재로의 흐름이 전기를 충전이라는 것은 지난 시간에도 설명하였고

 

 이 과정에서 음극재의 소재에 따라 배터리의 충전 속도와 방전 속도 수명에 영향 끼 진다.

 

조금 더 직관적으로 이해해 본다면

리튬이온의 저장량이 많을수록 수명이 길어지고, 잘 받아들일수록 충전시간 역시 단축될 것이다. 수많은 양극재에 대한 연구도 조합으로 많이 이루어져 왔지만 음극재또한도 무시할 수 없다는 것이 중요한 지표이다.

 

출처-포스코 퓨처엠

 

 사실 현제 가장 많이 소재는 흑연이고 그걸 어떤 방식으로 가공하느냐에 따라 여러 이름이 붙는다. 뿐만 아니라, 실리콘을 사용한 음극재는 흑연에 첨가하는 방식으로 용량을 압도적으로 키울 수 있고 차세대 기술인 리튬메탈의 발전또한도 흥미로운 이야기이다.  그럼 이야기를 시작해 보자

 

3. 흑연 음극재의 이론

 음극재에서 가장 많이 쓰이는 소재가 뭔가요?라고 묻는다면 대다수의 사람들이 흑연이라고 대답할 것이다.

순수 탄소 화합물인 흑연이 정육면체의 결합으로 정육각격모양의 판이 반복되는 층상구조라는 사실은 사실 어느 정도 화학이나 공학을 공부한 사람들에게는 상식으로 치부된다

.

그렇다면 이러한 규칙적인 구조 덕분에 사이사이에 저장되는 것이 가능해 음극재의 소재에 매우 적합 다는 사실또한도 어렵지 않게 추론 가능할 것이다.

 

 

Carbon Energy2, 6-43(2020), https://doi.org/10.1002/cey2.29, CC BY 4.0

 

 사실 이런 구조적인 안정성을 기반으로  1자로 삽입되는가 꺾여서 삽입되가에 대한 논쟁이 존재하였지만 

 

The kinetic origin of the Daumas-Hérold model for the Li-ion/graphite intercalation system

 

아래와 같은 방식으로 저장된다는 것이 학계의 정설로 받아들여졌다. 세세한 내용은 한번 논문을 찾아보는 것을 추천한다.

 

결론만 놓고 말해주자면 원래는 1자로 쭉 삽입된다고 생각했다가 그래핀이 가진 구조적 유연성과 반발로 a와 같은 형상으로 삽입된다고만 이해하자

 

 

4. 흑연 음극재의 종류

천연흑연, 인조흑연이

물론 천연음극재가 압도적으로 가격이 저렴하다는 장점은 존재한다.

 

 하지만 인조흑연에 대비에 물리적인 팽창 문제나 충방전으로 인한 구조로 인한 낮은 출력과 비교적 짧은 수명과 안정성 등의 문제로 단독으로 쓰이기보다는 두 개와 실리콘을 혼합한 형태의 음극재가 지금의 대세라고 생각하면 된다.

인조흑연과 천연흑연의 차이 출처-포스코 뉴스룸

 

5. 실리콘 음극재

출처 삼성SDI뉴스룸

 

이론적으로만 놓고 보면 최고의 음극재다 SI음극재는 흑연에 비하여 에너지 밀도가 10배 높고 가격경쟁도 해볼 만하다.

하지만 흑연이 충전 시 팽창량이 10%라면 SI음극재는 400% 이상 팽창한다는 이야기가 존재하고, 이러한 팽창은 곧 전기차 안정성과 수명에 직결되는 문제이므로 이 구조를 어떤 방식으로 안정화할지가 주된 논재거리이다.

6. 현대의 전기차 배터리용 음극재

 LG에너지설루션의 경우  2019년 실리콘 5%의 음극재를 BEV에 적용시켜 성공했다는 기사가 있다. 또한 최근 기사들을 보면 실리콘을 나 노화 후 복합한 구조적 안정성을 지니는 실리콘 배터리르 연구 중에 있다고 하고 이것이 안정화가 된다는 가정 하면 배터리의 수명이 몇 배 이상 증가할 것이라는 게 현대 학자들의 주장이다.

 

하지만 현재는 양상성과 가격에 타협해 실리콘과 흑연을 혼합한 음극재를 활용하는 배터리가 시장의 주라는 사실만을 알고 넘어가자