배터리의 4대 핵심요소 중 찐 핵심소재는 양극재

배터리의 4대 핵심요소 중 찐 핵심소재는 양극재

 

 

 

양극재 - 배터리의 성능을 결정하는 핵심소재

이차전지는 배터리를 충/방전을 통해 재사용 할 수 있는 전지를 이르는 말입니다.현재 전자제품과 자동차용으로 쓰이는 배터리로는 리튬이온전지가 사용되고 있습니다.

리튬이온이 양극와 음극을 왔다갔다 하면서 충전과 방전을 일으키며 전기를 발생시킵니다.

 

배터리의 성능을 말 할때는 에너지밀도를 빼놓을 수 없습니다.에너지 밀도는 단위 무게 또는 부피당 에너지의 양을 말합니다.에너지 밀도가 높을수록 전기차의 주행거리는 길어지게 됩니다. 

 

배터리의 에너지 크기를 나타내는 수식은 P = I * V * T 로서 P는 전력,I는 전류,V는 전압,T는 시간입니다. 

단위로는 Wh(watt-hour)로 표시하며, 시간당 출력을 의미합니다. 100Wh 라고 하면 1시간동안 100w의 출력이 지속된다는 뜻입니다. 

 

배터리 내의 리튬이온이 전기적으로 양극에서 음극으로 이동하며 전기를 발생시키는데, 양극과 음극의 전압차이가 발생하는데 이를 에너지밀도의 크기라고 합니다.즉 에너지 밀도는 전위차에 의해 결정이 됩니다. 두 극의 전위차를 높이려면 음극의 전압을 낮추거나 양극의 전압을 높이여야 하는데 음극의 전압을 낮추는 것보다 양극의 전압을 높이는 것이 기술적으로 더 가능성이 큽니다. 때문에 에너지 밀도를 향상시키키 위해서는 양극재가 중요하며 배터리의 성능을 향상은 양극재의 개발 수준에 달려 있습니다.

 

전기차용 배터리의 원가구조를 보면 전기차 배터리 셀기준으로 전체 원가의 63%가 재료비(양극재,음극재,전해액,분리막,동박,알박 등) 인데 그 중 50%가 양극재입니다. 배터리가 100만원이라면 그중 재료비가 63만원인데 그 63만원의 50% 즉 31만원이 양극재 재료비라는 것입니다.

 

한국은 NCM/NCA 양극재, 중국은 LFP 양극재

양극재는 비철금속인 니켈,코발트,망간,알루미늄 등을 얼마만큼의 비중으로 어떤 구조로 혼합하느냐에 따라서 성능이 다르게 나타납니다. 배터리 셀 업체들은 각각의 배터리 성능을 뽑아낼 수 있는 다양한 레시피를 가지고 양극재를 생산하고 있습니다. 한국은 에너지 밀도가 높은 NCM,NCA,NCMA 삼원계 또는 사원계 양극재를 채택하고 있으며, 중국은 비교적 저렴하고 안전성이 좋은 LFP계 양극재를 채택하고 있습니다.

 

NCM,NCA,NCMA 에서 N은 니켈, C는 코발트, M은 망간, A는 알루미늄입니다.

니켈의 함량이 많을수록 에너지 밀도가 높아져서 주행거리가 길어지게 됩니다.

622,811,91/2(반)1/2(반) 으로 앞의 숫자가 니켈함량을 나타냅니다. 양극재의 기술 향상은 얼마나 니켈을 많이 함유하는냐 입니다. 하이니켈 양극재를 만드는 기술이 차세대 양극재 기술입니다.

 

그리고 또 양극재를 향상 시킬 수 있는 것이 단결정 양극재입니다. 현재는 다결정 양극재를 사용하고 있습니다.다결정 양극재의 단점은 전극형성 과정에서 크랙이 발생하게 되는데 이 크랙은 충방전을 지속적으로 할 경우 크랙이 확대되어 배터리의 수명을 단축시킨다는 것입니다. 다결정에서 단결정으로 기술 향상은 곧 충방전의 효율이 좋아지고 배터리의 수명이 연장된다는 것입니다.