양극재 원리, 양극활물질

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• 양극 = 양극기재(Al) + 양극활물질 + 도전재 + 바인더
• 리튬이온배터리는 리튬, 전이금속, 산소가 큰 3개의 축을 구성함
• 리튬은 양-음극을 오가며 전하 용량을 결정하는 역할
• 전이금속은 산화환원반응이 가능하도록 하는 역할
• 산소는 결정구조를 유지해 줄 프레임 역할
• 리튬이온배터리에서 리튬과 산소는 고정, 양극재 연구는 전이금속 구성에 대한 연구
• 삼원계 기준, 양극활물질 제조방법 : 전구체 제조 -> 고온 반응 통해 복합금속산화물 제조 -> 복합금속산화물 + 리튬계물질 고온산화분위기 소성
• 전구체는 양극활물질에서는 금속산화물 또는 금속수산화물을 의미함
• NCM 기준 제조방법(공침법 기준)
  
  • 1. Ni, Co, Mn을 황산 등 강산 용액에 용해해 금속 용액 제조
  • 2. 금속 용액 혼합해 혼합 금속 용액 제조
  • 3. 혼합 금속 용액은 물분자 전자와의 결합력이 약해 침전 용이하게 하기 위한 착화제 첨가. 착화제는 암모니아. 암모니아 착화제는 물분자보다 금속이온과의 결합이 더 안정해 금속이온-암모니아 배위 결합 덩어리가 곧 착물 됨. 이 착물은 산화수가 유지되므로 착이온되고, 안정적으로 다른 음이온과 반응할 수 있는 상태가 됨
  • 4. 여기에 ph 조절제인 NaOH 등 첨가해 수산화물 형성 후 응집되면 침전
  • 5. 침전된 복합수산화물(NiCoMn)을 세척, 건조하면 전구체 제조 완료
  • 6. 전구체를 고온 반응으로 금속산화물 제조
  • 7. LiOH 등 리튬계 물질과 혼합 후 산화분위기 하에 소성해 양극활물질 분말 생산
• LCO(LiCoO2)가 이론용량이 높고, 결정 구조가 안정적임
• 리튬 이온의 약 50%만이 삽입, 탈리되어 이론용량이 274mAh/g, 실제용량은 약 150mAh/g 정도
• 실제 용량 늘리기 위해 Li를 증가시켜 전하량 늘려야 함
• Co만 전이금속 역할을 해 원재료 부담이 커짐
• 이에 Co를 도와줄 다른 원소들의 결합 필요성이 커짐
• 이에 실제 용량부터 가격 부담까지 낮출 수 있는 결합으로 삼원계(NCM, NCA)가 주류가 됨
• 리튬이온 배터리는 LCO를 기본 베이스로 Co의 역할을 도와줄 금속들을 넣는 방향으로 삼원계 양극재가 등장함
• 대체 금속들로 가격, 용량, 안정성 등 고려했을 때, NCM(LiNixCoyMnzO2), NCA(LiNixCoyAlzO2) 외 다른 양극재가 나오기는 어려움
• 이미 리튬이온배터리에서는 양극재가 이론적 한계에 도달
• 이에 최근 음극 소재를 통한 에너지 밀도 높이기가 시작됨