리튬이온 배터리의 핵심 소재와 특징 | 양극제 음극제 분리막 전해액

리튬이온 배터리는 현대 기술 및 전자 기기의 핵심 구성 요소 중 하나로, 그 안에 사용되는 4대 핵심 소재인 양극재, 음극재, 분리막, 전해액에 대해 알아보겠습니다. 이차전지의 원천 기술은 일본에서 비롯되었고, 이들 소재는 Sony가 1991년 리튬이온전지를 상용화할 때 사용된 것과 크게 다르지 않습니다.

우리의 일상에서부터 전기자동차, 대형 가전제품, 휴대전화, 무선 기기 등 다양한 분야에서 리튬이온 배터리가 사용되고 있으며, 그 역할은 무궁무진합니다. 이러한 배터리가 가능한 것은 그 구성요소와 소재의 특징과 상호작용에 있습니다. 리튬이온 배터리의 핵심인 양극재, 음극재, 분리막, 그리고 전해액은 이차전지의 핵심을 이루며, 각각의 속성과 역할이 배터리의 성능과 안전성에 큰 영향을 미칩니다. 여기서는 리튬이온 배터리의 4대 핵심 소재와 그 특징에 대해 자세히 알아보겠습니다.

 

리튬이온배터리 (출처: 삼성 SDI)

 

양극재 (Anode)

양극재는 리튬이온 배터리의 성능과 원가에 가장 큰 영향을 미치는 핵심 소재 중 하나입니다. 양극재는 알루미늄 기재에 활물질, 도전재, 바인더를 섞은 합재를 코팅한 후 건조와 압착을 통해 제작됩니다. 양극재의 선택은 배터리의 용량과 전압을 결정하는 중요한 역할을 합니다.

 

리튬이온배터리

 

 

양극재의 활물질은 리튬 이온을 포함하며, 도전재는 리튬산화물의 전도성을 높이기 위해 사용됩니다. 바인더는 알루미늄 기재에 활물질과 도전재가 안정하게 정착하도록 도와주는 역할을 합니다. 양극재의 종류와 구성에 따라 배터리의 용량과 전압이 결정되며, 양극재는 배터리 성능과 안전성에 큰 영향을 미칩니다.

 

 

 

음극재 (Cathode)

음극재는 리튬 이온을 가역적으로 흡수 및 방출하며 외부 회로를 통해 전류를 생성하는 역할을 합니다. 대부분의 리튬이온 배터리에서는 흑연이 음극재로 사용됩니다. 흑연은 안정한 구조, 낮은 전자 화학 반응성, 높은 리튬 이온 저장 능력 및 비교적 저렴한 가격을 가지고 있기 때문입니다.

 

흑연은 음극 활물질의 대표적인 예이며, 이를 통해 배터리는 리튬 이온을 저장하고 방출할 수 있습니다. 또한, 음극재는 배터리가 충전 상태일 때 리튬 이온을 흡수하며, 방전 시 리튬 이온을 방출하는 과정에서 전류를 생성합니다. 이러한 이러한 전기화학 반응을 조절함으로써 배터리의 성능을 최적화할 수 있습니다.

 

 

분리막 (Separator)

분리막은 양극과 음극을 물리적으로 분리하고, 전자와 이온의 통과를 허용하는 역할을 합니다. 이령제는 배터리 내부에서 양극과 음극이 직접 접촉하는 것을 방지하고, 리튬 이온은 분리막을 통해 움직일 수 있습니다.

분리막은 주로 다공성 폴리에틸렌(PE)과 폴리프로필렌(PP)으로 만들어지며, 제조 공정에 따라 습식과 건식 분리막으로 나뉩니다. 습식 분리막은 강도, 탄성, 두께, 기공균일도 등에서 우수하며, 건식 분리막은 원가 경쟁력이 높습니다.

리튬폴리머 배터리에서는 고온에서도 분리막의 기계적 수축을 방지하고 내구성과 내열성을 향상시키기 위해 세라믹 입자층이 코팅된 강화 분리막을 사용합니다. 분리막의 속성은 배터리의 안전성과 성능에 중요한 영향을 미치며, 일본 업체들이 이 분야에서 경쟁력을 가지고 있습니다.

 

전해액 (Electrolyte)

전해액은 리튬이온을 이동시키는 역할을 합니다. 전자는 전해액이 아닌 도선을 통해 흐르게 되어 이 도선으로 전기가 흐르게 됩니다. 만일 전해액이 이온 뿐만 아니라 전기도 이동시킨다면 안전에 큰 위험이 되겠죠.

 

전해액은 리튬 이온, 용매 및 첨가제로 구성됩니다. 리튬 이온은 음이온의 크기가 크고 이온전도도가 우수한 LiPF6(육불화인산리튬)가 주로 사용되며, 다른 리튬염도 사용될 수 있습니다. 유기 용매로는 고리형 카보네이트(EC, PC)를 주로 사용하며, 사슬형 카보네이트(DMC, DEC, EMC)는 보조 용매로 혼합됩니다.

 

전해액은 리튬 이온의 움직임을 조절하고, 전자와 리튬 이온을 구분하는 역할을 합니다. 전해액의 종류에 따라 배터리의 성능과 안전성이 변화하며, 이를 조절함으로써 다양한 용도에 맞는 배터리를 제조할 수 있습니다.

 

결론

요약하면, 리튬이온 배터리의 4대 핵심 소재인 양극재, 음극재, 분리막, 전해액은 각각 배터리의 성능과 안전성에 중요한 역할을 합니다. 양극과 음극이 배터리 기본 성능을 좌우한다고 할 때 분리막과 전해액은 배터리 안전성에 영향을 미칩니다.

 

 

 

이들 소재의 선택과 조합에 따라 다양한 용도에 맞는 리튬이온 배터리를 개발하고, 이로써 다양한 분야에서의 무선 기기, 전동공구, 전기차 등의 혁신적인 기술 발전을 이끌어내고 있습니다.