[대한민국 희망 프로젝트]<557>리튬이온 배터리 원리와 소재

최근 글로벌 유력 자동차회사인 폭스바겐과 르노 등이 전기자동차 생산 비중을 늘리겠다고 발표하면서 전기차에 대한 관심이 높아지고 있습니다. 전기차 수요가 시간이 계속 늘어날 것으로 예상되면서 전기차에 들어가는 리튬이온 배터리는 물론, 배터리 생산에 필요한 원재료 수급 또한 중요해질 것으로 보입니다. 리튬이온 배터리의 4대 구성요소(양극·음극제, 전해액·분리막)를 알아보겠습니다.

Q:리튬이온 배터리 원리는 무엇인가요.

A:리튬이온 배터리는 양극(+)과 음극(-) 물질의 ‘산화환원 반응’으로 화학에너지를 전기에너지로 변환시키는 일종의 장치입니다. 산화환원 반응이란 반응물 간의 ‘전자(e-) 이동’으로 일어나는 반응입니다. 다시 말해 전자를 잃은 쪽을 ‘산화’됐다고 하고 전자를 얻은 쪽을 ‘환원’됐다고 합니다. 산화·환원 과정에서 리튬이온과 분리된 전자(e-)가 도선을 따라 음극과 양극 사이를 오갈 때, 전기를 발생시킵니다. 리튬이온 배터리는 리튬이온에서 분리된 전자가 양극에서 음극으로 이동하면 충전되고(음극에서 환원이 일어나 에너지를 저장), 반대로 음극에서 양극으로 이동하면 방전(양극에서 환원이 일어나 에너지 방출)되는 원리입니다.

Q:리튬이온 배터리는 무엇으로 구성되나요.

충〃방전이 가능한 리튬이온 배터리를 이루는 4대 구성요소에는 양극, 음극, 분리막, 전해질이 있습니다. 양극은 리튬(Li)과 산소(O)가 만난 리튬산화물(Li+O)로 구성됩니다. 차량 충전 시에는 양극을 이루는 물질 중에서 리튬이온만 쏙 빠져 나와 음극으로 옮겨 갑니다. 반대로 방전할 때는 리튬이온이 원래 살고 있었던 집인 양극으로 돌아가고, 이 때 전기가 발생합니다.

음극은 여러 소재가 있지만 최근에 많이 사용되는 음극은 천연흑연을 기본으로 씁니다. 연필에 사용되는 흑연입니다. 흑연은 마치 종이가 겹쳐 있는 것과 같은 구조를 이루고 있는데, 이를 층상구조라고 합니다. 양극에서 빠져 나온 리튬이온이 이러한 층상구조 사이에 들어갑니다.

배터리의 양극과 음극사이에는 ‘분리막’이 있습니다. 분리막은 미세한 구멍이 있어 리튬이온이 양극과 음극을 오갈 수 있게 합니다. 하지만 양극과 음극의 물리적 접촉은 절대로 허락하지 않는 격리막 역할도 합니다. 결국 분리막은 양극과 음극이 함께 있으면 너무 뜨거워지니 이들 사이를 떨어뜨려 놓는 겁니다.

마지막으로 유기용매(액체 등을 녹일 수 있는 액체유기화합물)로 이뤄진 전해액이 있습니다. 전해액은 양극과 음극 간 이온 이동을 가능하게 하는 중간 매개체로 리튬이온의 원활한 이동을 돕는 역할을 합니다.

Q:양극의 성능을 결정짓는 양극 활물질에는 어떤 것들이 있을까요.

A:산화물 상태가 안전하기 때문에 배터리 양극에도 리튬산화물 형태로 리튬이 존재하는데요, 리튬산화물처럼 양극에서 배터리의 전극 반응에 관여하는 물질을 ‘활물질’이라고 합니다. 어떤 양극 활물질을 사용했느냐에 따라 저장되는 전자(e-)의 수가 달라지면서 배터리의 용량과 전압이 결정됩니다.

리튬과 산소, 다른 물질이 만나 무수한 수의 리튬산화물이 탄생할 수 있지만, 오랜 연구 끝에 현재 배터리로서 적합한 성능을 내는 활물질은 크게 5가지 종류입니다.

양극 활물질은 리튬과 금속성분의 조합으로 구성된다고 볼 수 있는데요, 이때 금속의 종류와 비율에 따라 서로 다른 특성을 가집니다. 금속 종류별로 Ni(니켈)은 고용량 특성, Mn(망간)과 Co(코발트)는 안전성, AI(알루미늄)은 출력 특성을 향상시키는 역할을 합니다. 전기차가 요구하는 다양한 성능을 만족시키기 위해서는 이들 소재의 적절한 조합 능력을 확보하는 것이 중요합니다.

현재 생산되는 대부분의 전기차 배터리는 NCM, NCA, LMO 양극 소재를 적절히 혼합해 사용하고 있습니다. 이 중 NCA는 NCM, LMO 등 타 소재에 비해 출력과 에너지밀도가 높아 소형전지 시장에서 주로 전동공구에 사용됩니다.

다시 말해서 에너지밀도가 높은 NCA는 동일한 용량의 배터리를 더 작은 공간과 무게로 전기차에 탑재할 수 있다는 것을 의미합니다. 전기차가 해결해야 할 핵심과제 중 하나가 주행거리 확대라는 측면에서 NCA 전기차 시장으로의 확대가 예상됩니다.

LFP(리튬인산철)는 높은 안전성으로 중국 전기차 업체가 채택하고 있지만, 에너지 밀도가 낮아 부피가 크고 출력이 낮은 단점이 있습니다. 중국을 제외한 나머지 업체는 거의 사용하지 않습니다.