앞서 이차전지를 구성하는 소재를 간략히 소개하자면 이와 같습니다.
오늘은 이 중 음극재에 관한 포스팅을 진행해보려합니다.
음극재란?
2차 전지 충전 시 양극에서 나오는 알칼리 이온을 음극에서 받아들이는 소재입니다.
음극재는 충전 속도와 수명을 결정하는 역할을 하며, 알칼리 이온을 저장했다가 방출하며 외부 도선을 통해 전자가 이동하며 전류를 흐르게 하는 역할을 수행합니다.
음극재 종류
대표적으로 흑연, 실리콘이 많이 사용됩니다. 하지만 이 외에도 금속산화물계, 금속황화물계 등 다른 재료들도 상용화를 위해 개발 중에 있습니다.
음극재별 충전되는 방식
흑연- intercalation(삽입)
: 리튬은 원자기호 3번으로 금속 중 크기가 가장 작습니다. 따라서 흑연의 층상구조 내로 들어갈 수 있습니다.
실리콘- alloy(합금)
: 22개 리튬과 5개 실리콘이 결합합니다. 가장 큰 문제는 리튬이 결합하면서 그만큼 부피가 팽창한다는 것입니다. 리튬과 실리콘의 합금은 취성이 약한 이온결합성 물질입니다. 따라서 소재가 깨져서 SEI층이 지속적으로 생기고 심한 경우 전기적으로 절연이 되는 영역이 생깁니다.
리튬메탈- Plating(도금)
: 리튬이 리튬표면에 도금되었다가 방전이 표면에서 벗겨져나옵니다. 문제는 처음엔 평평하던 리튬표면이 충전 되면 자기 원래 자리에 다시 평평하게 도금되는 것이 아닌 마구잡이로 쌓인다는 점입니다. 그러므로 뾰족한 부분은 점점 더 뾰족해진다. 이러한 현상을 Li-dendrite라고 합니다. 이는 화재나 폭발을 일으키기도 합니다.
MOx(금속산화물계), MSx(금속황화물계)- Conversion(전환)
:Li과 결합 위치를 바꿈으로써 리튬을 저장합니다.
흑연의 장단점
흑연은 천연흑연과 인조흑연으로 나뉩니다. 천연흑연을 이용하면 리튬이온 저장용량이 크고 저렴하다는 장점이 있습니다. 하지만 intercalation 과정에서 입자 내부 구조가 팽창하고 표면이 불안정해 삽입방출 능력이 저하되어 수명에 영향을 줍니다.
이에비해 인조흑연은 가격은 더 비싸지만 고온의 흑연화 과정을 거쳐 제조되기 때문에 입자 내부 및 표면이 안정적인 구조를 형성해 팽창이 적습니다. 따라서 수명이 길다는 장점이 있습니다.
앞으로의 발전 방향 (전고체 전해질)
배터리 분야에서 최근 액체가 아닌 고체 전해질을 이용해 분리막이 없는 배터리를 만드는 개발 중에 있습니다. 해당 배터리는 온도 변화로 인한 부반응이나 외부 충격에 따른 누액 위험이 없다는 장점이 있습니다. 또한 전해액, 분리막이 없어 에너지 밀도를 높이는 물질도 첨가할 수 있어 고밀도 배터리 구현이 가능합니다.
리튬 메탈 음극제는 흑연보다 에너지 밀도 측면에서 경쟁력이 높습니다. 하지만 안정성이 낮아 액체 전해질에 탑재하면 화재 폭발 위험이 커져 이를 보완한 흑연 음극재가 보편화되었습니다. 흑연은 탄소 음극재 성능은 우수하지만 단위 질량당 부피가 크고 배터리 부피의 절반을 넘게 차지하는 문제점이 있습니다.
고체 전해질이 상용화된다면 가장 상용화된 음극재 물질이 리튬 메탈로 변화할 가능성이 생길 것으로 예상됩니다. 위험도를 없앤 리튬 메탈 음극재는 용량, 출력, 수명, 안정성 측면에서 가장 완벽한 성능을 낼 수 있을 것이라 생각하기 때문입니다.
출처: 나트륨이차전지용 전환반응 음극 소재 기술 동향 -김수지,김유진,류원희
Electrodeposition-guided pre-passivation of Li-metal anode to enable long stable cycling of practical Li-metal batteries.
https://www.businesspost.co.kr/BP?command=article_view&num=305303