리튬이온 배터리 기초 3. 음극재란?(쉬운 내용)

저번 글에서 음극재에 대해 써보았습니다. 하지만 내용이 어렵게 느껴지기도 하고, 내용을 쉽게 전달해드리지 못한것 같았습니다. 좀 더 쉽고, 좋은 내용으로 정리해 보았습니다.

 

음극재(Anode)

 

음극재는 리튬이온을 가지면서 배터리의 전반적인 수명과 안정성을 결정하는 역할을 합니다. 그렇기에 음극재는 충·방전 시 변화에 오래 버틸 수 있는 '구조적 안전성'을 가진 재료가 주목받고 있습니다. 

음극재에 가장 많이 쓰이는 핵심 재료는 흑연(Graphite)입니다. 리튬이온 배터리에서 음극재 소재로 탄소를 쓰게 된 이유는 '탄소의 구조가 굉장히 단단하기 때문'입니다.

하지만 구조가 아무리 단단해도 구조가 오래 유지되지 못합니다. 따라서 쓰면 쓸수록 탄소 구조가 무너지게 됩니다. 이것이 배터리 수명이 감소하는 이유입니다. 흔히, 핸드폰을 사용하시면 배터리 수명이 감소했을 때 충전이 느리고, 방전이 빠른 경험이 있을 것입니다. 이것과 유사하다고 생각하시면 됩니다.

이것은 음극재의 고질적인 문제입니다. 흑연보다 효율이 좋은 대체원을 사용하더라도, 흑연보다 뛰어난 구조를 가진 재료가 없습니다. 그 이유는 구조적 안전성 뿐 아니라 값싼 재료비 등 여러 가지가 있습니다. 음극재 산업은 쉽사리 흑연을 대체할 신물질을 제시하기 어려운 이유입니다.

최근 인조 흑연이 이슈되었습니다. 천연 흑연과 인조 흑연의 장단점은 확실히 구분됩니다. 천연 흑연은 372(mAh)/g의 용량과 저렴한 가격, 인조 흑연 대비 제조 공정의 이점이 있습니다. 단점은 372(mAh)/g의 용량을 담으면 무게가 무거워져 모빌리티 기기나 전기차에 악영향을 끼치게 됩니다. 반면, 인조 흑연은 250(mAh)/g의 용량을 담습니다. 그리고 출력이 좋지만, 단점으로 가격이 비쌉니다.

이러한 가격의 차이는 공정을 비교해보시면 알 수 있습니다. 우선, 인조 흑연은 코크스에서 추출됩니다. 이 코크스를 가공하기 위해서는  천연흑연보다 더 까다로운 공정을 거치게 됩니다. 그렇기에 인조 흑연은 천연 흑연보다 비싼 가격을 가집니다. 추가로, 코크스 가격 변동이 인조 흑연의 가격에 큰 영향을 끼칩니다.

 

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배터리는 더욱 큰 용량이 필요합니다. 시장 수요에 따라 기술 개발이 한참입니다. 그 결과물로 나온것이 '실리콘계 음극재' 입니다.

실리콘의 효율이 굉장히 좋습니다. 하지만, 실리콘으로 음극재를 구성하면 충·방전 시 실리콘 구조가 쉽게 무너집니다. 그래서 흑연에 실리콘을 섞는 방법을 개발하였습니다.

실리콘 첨가 비중은 대게 비율은 5~10%로 큰 차이가 없습니다. LG화학은 5% 수준, BYD와 CATL은 10% 정도 입니다. 그 외에는 제조사마다 고유 기술로 남아있습니다. 

LG화학은 지난번 기사에서 "배터리 개발에서 장수명이 가장 어려운 부분"이라며 "배터리 설계와 함께 양·음극 두꺼워지거나 가스 발생을 최소화하도록 하는 등 변형을 최소화하는 것이 필요하다"고 밝혔습니다.

실리콘의 첨가 비중이 높을수록 용량은 커집니다. 하지만 비중이 높을수록 수명이 줄어듭니다. 그래서 적절한 비율을 찾는것이 중요합니다.

국내에는 대주전자재료가 실리콘 음극재를 개발하고 있습니다. 포스코케미칼의 경우 천연 흑연과 인조 흑연을 모두 생산하고 있지만, 실리콘 음극재를 개발할 기술력이 부족합니다. 대주전자재료의 경우, 옥사이드 계열의 실리콘 음극재를 개발하고 있습니다. 이것을 5% 비율로 섞었을 때 520(mAh)/g의 용량(추정)이 나온다고 합니다.
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앞으로 실리콘계 음극재는 고객과 시장의 요구에 맞춰 성장하고 있습니다. 앞으로 음극재 시장은 실리콘계 음극재 기술을 갖춘 기업이 주도할 것으로 예상됩니다.
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감사합니다.