배터리의 작동 원리 및 소재-2(음극재)

2024.06.12 - [배터리/지식] - 배터리의 작동 원리 및 소재-1(양극재)

배터리의 작동 원리 및 소재-1(양극재)

 

 

이전 글에서 배터리에 들어가는 양극재에 대해 살펴보았다.

 

양극재에 이어서 두번째로 알아볼 것은 음극재이다.

 

2. 배터리에 사용되는 소재

 

- 음극재

음극재

 

- 음극재는 배터리에서 리튬 이온이 이동하는 전극의 양극재 반대편에 구성이 되는 소재이다.

 

정확한 명칭은 '음극활물질' 이라고 한다.

 

 

- 음극재는 배터리에서 양극재에서 산화되어 나온 Li+를 받아들여 내부에 저장 및 방출을 하며 전류를 흐르게 하는 역할을 한다.

 

쉽게 말해 임시 저장공간이라고 말할 수 있다.

 

 

- 배터리 내의 음극재의 역할은 크게 2가지 이다.

① 충/방전 속도

② 수명

-> 양극재에 비해 배터리의 15% 원가를 차지하는 음극재는 최근 투자 및 생산 증설이 확대되고 있다.

EV 혹은 2차 전지를 사용하는 제품들의 경쟁력 중 '충전 속도' 또한 중요한 부분을 차지하고 있기 때문이다.

 

 

- 음극재 작동 메커니즘

① 삽입(Intercalation): 충전 시 양극재에서 음극재 표면으로 Li+가 이동하여 음극재 내부로 삽입.

② 확산(Diffusion): Li+가 음극재 내부에서 확산 과정을 통해 저장.

③ 탈리(De-intercalation): 방전 시 Li+가 음극재로부터 탈리되어 양극재로 환원.

 

 

- 음극재로 쓰이는 소재는 크게 2가지가 있다.

① 흑연(Graphite,C)

② 실리콘(Silicon,Si)

흑연 vs 실리콘 결정 구조 / 포스코,포스코퓨처엠

 

① 흑연: 음극재로서 가장 널리 쓰이는 소재이다.

 

층상 구조를 갖는 흑연은 Li+ 저장과 이동이 용이하며 안정적으로 저장되기 때문에 널리 사용됐다.

 

 

흑연도 2가지의 종류가 있다.

 

 

* 천연 흑연

- 장점: Li+ 저장용량↑, 생산 비용↓

- 단점: Li+ 삽입 시 입자 내부 구조가 팽창으로 삽입·방출 능력↓, 배터리 수명↓

 

 

* 인조 흑연

- 장점: 고온 처리로 인해 입자 내부 및 표면이 안정적인 구조를 형성. 내부 구조 팽창↓, 배터리 수명↑

- 단점: 생산 비용↑

 

 

② 실리콘: 흑연의 대항마로 떠오르는 차세대 음극재 소재이다.

- 흑연은 탄소 원자 6개당 Li+ 1개(350Wh/kg)를 저장, 실리콘은 실리콘 원자 1개당 Li+를 4.4개(4,000Wh/kg)를 저장 한다.

(동일 질량 기준 이온 저장 용량이 10배 정도 차이가 난다 / 충전 속도↑, 1회 충전 주행 거리↑)

 

- 하지만 많은 용량과 격자 구조로 인해 충 · 방전을 거듭할 수록 팽창 수준이 흑연보다 커서 안정성의 문제가 있다.

(흑연의 평균 부피 팽창률은 10%~20% / 실리콘의 경우 300%이상의 부피 팽창률을 보인다)

 

- 생산에 있어 가장 핵심은 '원가'이다. 흑연은 지구상에서 가장 흔한 원소인 반면 실리콘은 그렇지 않기 때문이다.

(천연, 인조 흑연은 kg당 평균 5~6$ / 실리콘은 kg당 50~60$)

 

 

2-1) 실리콘의 성능과 흑연의 안정성을 동시에 갖는 소재는 없을까?

 

- 결론부터 말하면 후보군은 존재하지만, 개발 진행 단계라고 얘기할 수 있다.

 

그렇다면 차세대 음극재 소재의 후보군으로서 어떤 것이 있는지 살펴보자.

차세대 실리콘 음극재 / 포스코퓨처엠

 

- 차세대 음극재로서 현재 가장 유망한 소재는 실리콘 복합체이다.

 

각각 SiOx(실리콘 산화물), Si-C(실리콘-탄소 복합체), Si(기존 실리콘 음극재)에 대한 특징에 대한 비교표를 살펴 보자.

 

앞서, Si의 큰 단점으로 지속적인 사용 시 발생하는 음극재 팽창으로 인한 안정성 저하를 꼽았다.

 

이를 위해, Si에 산화물 혹은 탄소를 결합 및 복합체로 사용하여 팽창률 개선을 연구하는 흔적이 보인다.

 

하지만 절대적으로 용량이 줄어들어 Si대비 성능면에서 떨어지는 면을 알 수 있다.

 

각 소재들은 어떤식의 연구 동향을 거치고 있는지 확인해보고자 한다.

 

2-2) 음극재 기술 동향

 

 

2021년도 이베스트투자증권에서 리뷰한 자료에 따르면, SiOx에 대해서 가장 유력한 소재 후보로 꼽고 있다.

(기계적 강도 우수, 구조 붕괴 방지, 안정성 등의 이유)

 

하지만 초기 효율이 낮고 현실적인 배터리 적용에는 아직 어려운 단계라고 한다.

 

어떤식의 해결책을 갖고 있는지에 대해 SiOx 보완 방법과 다른 해결책을 제시하는 논문 1개를 참고하였다.

 

'Rational design of SiOx based anode materials for next generation lithium-ion batteries'

Yuanteng Yang,a Yanxia Liu,a Xiaoli Jiang,a Lin Zhao,a Penglei Wang *b and Yagang Zhang Hailei Zhao

 

해당 논문에서는 SiOx 설계의 보완책과 성능 개선에 대하여 제시하고 있다.

 

해당 논문에 소개되어 있는 해결책에 대해 간단하게 리뷰하고자 한다.

 

① Si/SiOx에 대하여 알루미늄 도핑을 통한 전기화학적 및 전도성 성능 개선

 

해당 그림에서 중요하게 봐야할 지표는 다음과 같다.

 

(c) EIS(Electrochemical Impedance Spectroscopy, 전기화학 임피던스 분광법): 배터리 성능 평가중 하나의 방법

EIS가 낮을수록 전극의 내부 저항이 낮아 높은 전도성을 보인다는 의미한다.

 

(d) 100mA/g의 전류 밀도에서 다양한 사이클에 대한 쿨롱효율(방전용량/충전용량*100)을 보여준다.

쿨롱효율이 높을 수록 안정성 및 용량 유지를 나타낸다.

 

(g) SiOx/C HS-TA(알루미늄계) 복합체의 다양한 사이클에서의 충방전에 대한 높은 쿨롱효율 보이고 있다. 

 

 

② CVD(화학 기상 증착법)를 활용하여 균일하고 얇은 SiOx/C를 합성법을 통해 안정성 및 전기화학적 성능 개선

 

해당 그림은 다음 내용을 나타내고 있다.

 

(a) Li의 Intercalation과 De-Intercalation 과정에서 yolk-shell(노른자 껍질 구조) 변화 과정을 도식화.

 

(b) CVD를 활용하여 SiOx/C 코팅 과정을 도식화.

 

(c) TEM(투과 전자 현미경)을 통해 SiOx/C의 내부 구조 촬영.

 

(d) CVD로 코팅한 SiOx/C의 500mA/g 전류 밀도에서 충방전 사이클동안의 높은 쿨룡효율을 나타내고 있다.

 

 

해당 내용 외에도 Pre-lithiation(사전 리튬화, 충방전 전에 미리 리튬이온을 음극재에 주입) 같은

비가역적 용량 손실을 줄이는 방법도 소개되고 있다.

 

 

이번 글에서는 음극재에 대해서 알아보았다.

 

양극재와 마찬가지로 음극재 또한 중요한 소재로서 주목받고 있다.

 

다음글에서는 전해질을 소개하고자 한다.

 

감사합니다 :)