양극재와 음극재란 무엇인가, 역할은 무엇인가

양극재와 음극재는 배터리의 용량, 수명, 충전속도를 결정하는 가장 핵심이 되는 소재이다. 양극재는 리튬이온 소스로 배터리의 용량과 평균 전압을 결정하고, 음극재는 충전속도와 수명을 결정한다. 이번 글에서는 배터리의 핵심요소인 양극재와 음극재에 대한 개념과 종류, 역할, 제조 공정에 대하여 알아보겠다.

 

양극재 개념과 역할

양극재는 배터리의 (+) 극, 즉 양극을 이루는 소재를 말하며 배터리가 저장할 수 있는 에너지 양은 배터리의 용량에 전압을 곱한 것인데, 배터리의 에너지밀도를 높일수록 더 작고, 저렴하며, 적은 무게로 배터리를 만들 수가 있어 전기차의 주행거리를 크게 높일 수 있어서 양극재가 바로 배터리의 성능을 좌우할 용량과 전압을 결정하는 핵심 소재다.

배터리 성능과 특성을 결정짓는 양극 활물질은 리튬과 금속 성분의 조합으로 이루어져 있다. 주로 사용되는 금속 성분은 에너지밀도를 결정하는 니켈(Ni), 안정성을 높이는 코발트(Co)와 망간(Mn), 출력을 향상하는 알루미늄(Al)으로, 어느 원소를 어떤 비율로 조합하느냐에 따라서 양극재의 용량, 에너지밀도, 안정성, 수명, 가격경쟁력이 달라진다. 전기차로 쉽게 설명하자면, 용량은 주행거리, 에너지밀도는 전기차의 출력, 안정성은 배터리의 화재 등 사고를 제어하는 능력, 수명은 배터리 사용 기간에 영향을 미친다. 국내 전기차 배터리 사업자들은 현재 NCM(니켈, 코발트, 망간)과 NCA(니켈, 코발트, 알루미늄) 등 2종의 삼원계 배터리(니켈+코발트+다른 금속)에 집중하고 있다. 그중에서 NCM 양극재는 주행거리와 출력이 뛰어나 전기차에 널리 사용되고 있다.

최근에는 원료가격의 변화에 따라 고가의 코발트 함량을 줄이고 니켈 함량을 60% 이상으로 높이는 하이니켈 배터리가 개발되고 있다. 니켈의 비중을 증가시킴으로써, 동일한 크기의 전지의 용량을 증가시킬 수 있고, 전기자동차의 주행거리를 확보할 수 있다. 다만, 니켈 함량이 증가하면 안정성이 떨어지는 단점이 있으며, 안정성을 향상할 수 있는 기술력이 필요하다. NCA는 니켈, 코발트, 알루미늄의 조성비가 8:1:1로 니켈의 함량이 높고 알루미늄을 포함한다. 이러한 구성은 다른 물질에 비해 높은 배터리 밀도와 출력을 가져온다. 따라서 주로 원통형 배터리와 같은 소형 전지에 주로 사용된다. 중국 배터리 제조사가 주로 생산하는 LFP(리튬인산염철)는 코발트니켈을 사용하지 않고 철(Fe)을 대신 사용한다. NCM보다 약 30% 저렴하며 안정성은 높지만 에너지 밀도가 낮아 주행거리가 짧고 전력량이 적다. 이에 주행거리 확보를 위해 에너지 밀도를 높이려는 노력이 진행되고 있다.

 

음극재 개념과 역할

음극재는 리튬이온을 저장했다가 방출하면서 외부회로를 통해 전류를 흐르게 하는 역할을 하며 2차 전지의 충전 속도와 수명을 결정한다. 충전 시에는 음극에 리튬이온을 저장하고 있다가, 방전 시에는 리튬이온을 전해액을 통해 양극으로 이동시키게 되고, 리튬이온과 분리된 전자는 도선을 따라 이동하면서 전기가 발생한다. 음극재는 구리 기재 위에 음극 활물질, 도전제, 바인더가 입혀지는데, 음극 활물질로는 안정적인 구조를 지닌 흑연이 주로 사용된다. 음극 활물질의 조건은 원활한 이온전도율과 리튬 이온을 많이 저장할 수 있는 대용량과 큰 출력, 긴 수명, 구조적 안정성 등을 갖추고 있어야 한다. 흑연은 음극 활물질이 지녀야 할 많은 조건들인 리튬 이온을 많이 저장할 수 있는 대용량, 긴 수명 구조적 안정성, 낮은 전자 화학 반응성, 저렴한 가격 등을 갖춘 재료로 꼽히고 있다. 다만 용량을 키우기 어렵고 배터리에 사용할 수 있을 정도의 고순도 제품 생산에 오랜 시간이 필요하다. 따라서 차세대 음극활 소재 개발이 진행되고 있다. 흑연의 뒤를 이을 소재로 손꼽히는 것은 실리콘이다. 실제로 실리콘은 에너지 용량도 4200 mAhg 수준으로 우수한 특성을 가지고 있어 흑연의 372 mAhg에 비해 약 10배 이상 크다. 또한 실리콘은 친환경적이고 지구상에 풍부하게 존재하기 때문에 탄소계 음극 소재를 대체할 고용량 음극소재로 기대되고 있다. 다만 안정성 측면에는 문제가 있다. 구조적 안정성이 낮고 결정이 깨지기 쉬워 급격한 수축, 팽창의 문제가 있다. 배터리의 수명에도 영향을 주기에 기존 흑연 소재에 실리콘을 5~15% 정도만 혼합하는 등의 다양한 연구를 진행 중이다.