2차전지 배터리 기본구조와 4대 소재역할과 특성(#2. 2차전지)

순서
Intro.
1. 리튬이온 배터리 기본구조와 전기생산 원리
2. 배터리 팩 공정
3. 리튬이온 배터리 4대 소재역할과 특성

 

 

1편. 2차 전지의 시장성과 기업리스트
https://fast-turtle26.tistory.com/41

2차전지 배터리 셀, 4대 소재 시장규모와 기업리스트(#1. 2차전지)

 

3편. 한중일 배터리(NCM, NCA, NCMA, LFP, M3P, 전고체) 등

https://fast-turtle26.tistory.com/44

2차전지 한중일(한국, 중국, 일본) 삼국지와 트렌드(#3. 2차전지)

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Intro.

시장은 지속적으로 분명 커져 갈 테지만, 시장 초입에서 일어나는 급등현상은 줄어들고 옥석 가리기가 시작되었다고 보고 있습니다.
 
좀 더 나은 기업 분석과 평가를 위한 기초로
1편. 시장성 중심으로 정리했습니다.
2편. 배터리 구조와 핵심 요소들 이해에 초점을 맞췄습니다.
3편. 현재와 앞으로의 트렌드는 어떠한지를 기술하고자 합니다.
 
처음에는 1,2편으로 정리하려 했지만, 정리하다 보니 글이 길어져서 나누었습니다.
 

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1. 리튬이온 배터리 기본구조와 전기생산 원리

리튬이온배터리 기본구조(출처 : 배터리인사이드)

 
위 그림에서처럼 배터리는 기본적으로 양극재, 전해질(전해액), 분리막, 음극재로 구성되어 있습니다. 충전을 하면 양극에 있는 리튬이온들이 음극으로 이동을 하게 됩니다.
 
저희가 사용하는 전기는 충전을 통해 음극에 몰려있던 리튬이온이 분리막을 거쳐 다시 양극재로 가게 되면서 발생하게 됩니다.
 
위그림은 기본적으로 원통형 그림이지만, 각형이든 파우치형이든 기본 원리는 같다고 보면 됩니다.
 
 

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2. 배터리 팩 공정

 

• 전기차, ESS 등의 중, 대형배터리는 어떻게 만들어질까요?

 
위에서 만든 기본배터리 1개를 목적과 용처에 따라 여러 개로 붙이고, 모듈화, 팩 조립, 그리고 배터리관리시스템을 부착해 전기차 등에 사용됩니다. 
 
LG에너지솔루션에서 운영하는 배터리인사이드 이미지를 참고하시면 됩니다.

배터리 팩공정(출처 : 배터리인사이드)

 

3. 리튬이온 배터리의 4대 소재 역할과 특성

 
1) 양극재
양극재는 기본적으로 배터리용량과 전압 등을 결정하는데 배터리 성능의 중추적 역할을 합니다. 양극재에 어떤 원소를 넣어 배합했느냐에 따라 굉장히 큰 차이를 보입니다.
 

• 니켈(Ni) : 에너지 밀도, 주행거리

60% 이상을 함유한 것을 하이니켈이라고 하는데, 한국은 주로 80% 이상은 기본으로 하고 최근에는 90% 이상, LG에너지솔루션은 95% 이상의 기술을 상용화하기 시작했습니다. 이를 울트라하이니켈로 불리어집니다.
 
단점은 그만큼 폭발의 위험이 증가해 다른 원소의 배합과 높은 기술력을 필요로 합니다.
 
 

• 코발트(Co) : 부식방지 안정성

양극재의 부식을 막고 안정성을 높이는데 핵심 원소입니다. 하지만, 배터리에 들어가는 원소중 가장 비싼 원소입니다.

이 원소의 비중을 낮추면서도 안정성을 확보하기 위해 많은 원소들이 테스트되며, 최근 급부상해 적용 중인 원소가 알루미늄입니다.

최근엔 5% 이하로 첨가하며 배터리 가격을 많이 낮추는 추세입니다.
 
 

• 망가니즈(Mn) : 안전성

배터리의 안정성에 중요한 역할을 합니다.
 
 

• 알루미늄(Al) : 배터리 출력, 안정성

알루미늄은 배터리의 출력을 높일 수 있으나, 반응성이 높아 불안정하게 만들 수 있습니다. 따라서, 높은 기술력을 요합니다. 기술력만 뒷 받침된다면, 비싼 코발트를 어느 정도 대체할 수 있고, 동시에 출력까지 높일 수 있습니다.
 
 
그리고 이 원소에 따라 흔히 저희가 사용하는 배터리 이름이 붙게 됩니다.(자세히는 3편에서 정리할 예정입니다.)

● 한국 배터리 3사 주력
NCM(니켈, 코발트, 망가니즈)
NCA(니켈, 코발트, 알루미늄)
NCMA(니켈, 코발트, 망가니즈, 알루미늄)


● 후발주자인 중국의 주력
LFP(리튬, 인산, 철)
M3P(마그네슘, 아연, 알루미늄)

2) 음극재
양극재는 에너지를 만드는 역할이 핵심이라면 음극재는 이렇게 만들어진 에너지를 충전 시 잡아두는 역할을 합니다. 전통적으로는 흑연(천연, 인조 포함)으로 제조되었지만, 최근에는 실리콘으로 대체되고 있는 과정에 있습니다.
 

LG에너지솔루션에 따르면 흑연은 탄소 6개당 리튬이온 1개를 저장하지만, 실리콘 원자는 1개당 리튬이온을 4.4개나 저장할 수 있다고 합니다.

또한, 충전 속도도 실리콘이 유리하다고 합니다.

SNE리서치에 따르면 실리콘 음극재 시장은 2020년 155억 원 규모에서 2025년 5조 6천억 원 규모로 가파르게 성장할 것으로 예상을 했습니다.

 
실리콘의 단점은 리튬이온과 반응해 부피가 팽창해 쉽게 깨어지는 성질이 있다고 합니다. 이러한 단점을 개선하기 위해서 CNT(탄소나노튜브) 도전재가 급부상하고 사용되고 있다고 합니다.
 
음극재의 역할을 정리하면, 배터리 충전 속도에 큰 영향을 미치며 에너지 충전 양을 결정합니다.
 
 
3) 전해질
리튬이온이 충전 시 양극에서 음극으로 이동을 하고, 배터리 사용 시 반대로 음극에서 양극으로 흘러갑니다.

전해질은 이렇게 양극과 음극을 리튬이온이 잘 이동할 수 있도록 하는 역할을 합니다.

배터리의 수명에 영향을 미치며, 충전과 방전의 효율에 큰 영향을 주며, 낮은 온도에서 배터리 효율이 저하되는 원인이 되기도 합니다.

전해질은 전해질염, 유기용매, 첨가제로 구성되어 있습니다.
 

• 좋은 전해질 3가지 요건(배터리인사이드 참고)

1. 리튬이온이 저항이 최소화된 체 충전과 방전에서 잘 이동할 수 있는 높은 이온전도도를 갖춰야 합니다.

2. 오랜 충전과 방전의 반복, 외부충격 등에서 화학적 안정성을 갖춰야 합니다.

3. 전해질이 추운 겨울에 얼어버리면 안 되고 사용 시 열발생이 최소화되어야 하며 또한 발생하는 열로 인해 발화 되면 안 됩니다. 따라서, 낮은 어는점과 높은 발화점을 갖춰야 합니다.
 

 

4) 분리막
양극재와 음극재가 배터리의 성능에 가장 큰 영향을 주는 요소라면, 분리막은 배터리의 안전을 책임지는 핵심 요소 중 하나 입니다.

폴리에틸렌(polyethylene, PE)과 폴리프로필렌(polypropylene, PP)이 대부분 사용된다고 합니다.

두 재료를 어떻게 만드느냐에 따라 습식과 건식방법이 있다고 합니다.
 
건식방식은 ESS(Energy Storagy System, 에너지 저장 장치)나 전기 버스와 같은 높은 에너지 밀도가 필요 없는 것에 사용됩니다.
 
습식은 높은 에너지밀도를 필요로 하는 휴대폰, 노트북, 전기차 배터리 그 외 고출력 배터리 등에 주로 사용됩니다.
 
양극과 음극이 닫지 않는 벽의 역할을 하면서, 양극과 음극을 오가며 전기를 충전하고 발생시키는 리튬이온의 이동은 원활해야만 합니다. 따라서, 기본구조는 막에 리튬이온만 지나갈 수 있는 작은 구멍들이 있다고 생각하시면 됩니다.
 

• 좋은 분리막은 3가지 요건(배터리인사이드 참고)

1. 배터리는 화재의 위험이 있으므로, 높은 열에도 안정적인 형태를 갖추어야만 합니다. 동시에 특정 온도 이상을 올라가게 되면 분리막 자체가 리튬이온의 이동을 막는 전기절연성을 갖추어야 합니다.

2. 기공의 크기가 균일하고 개수가 많을수록 좋습니다.

3. 얇으면서도 외부충격에도 쉽게 손상되지 않는 강도를 갖춰야만 합니다.