2차전지 기술(양극재)

2차전지 기술(양극재)

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양극재 기술방향(하이니켈 NCM 배터리 기술)

• 리튬이온 배터리에서 양극재는 안전성을 높이고 가격을 하락해야함
• 양극재로 에너지 밀도를 높이기는 어려워, 차세대 배터리로 리튬이온이 아닌 다른 소재로 접근해야함
• 하이니켈 NCM의 단점인 안정성 하락과 빠른 성능 저감을 해결하는것이 기술적 방향
• 안정성 하락은 잔류 리튬으로 인한 문제, 빠른 성능 저감은 4가 전이 이온과 전해질 사이 반응으로 층상구조 변이가 원인

문제점1. 잔류리튬 

• 니켈 이온반지름은 니켈과 비슷함
• 니켈이 리튬에 위치하는 양이온 혼합이 자주 발생
• 리튬층에 위치한 리튬이 열처리 과정 중 이산화탄소나 물과 반응하는 경우가 있음
• 이산화탄소와 반응한 탄산리튬(Li2CO3), 물과 반응한 수산화리튬(LiOH)이 양극 표면에 존재하면 잔류 리튬이 됨
• 잔류리튬의 문제점1. 배터리 폭발, 잔류리튬의 카보네이트 물질은 불화수소(HF, 전해질 내 극소량의 물분자에 의해 생성)에 의해 분해되어 가스 발생, 배터리 폭발로 이어짐
• 잔류리튬의 문제점2. 전극 제조 불가능, 잔류리튬이 용매에 녹으면 염기성화되고 다시 바인더와 섞이며 슬러리가 겔화로 변함
• 잔류리튬의 문제점3. 가스 발생 가속화 및 활물질 전기화학 특징 급감, 리튬이 이산화탄소와 반응해 탄산리튬이 생성되는 과정 중 물 분자 생성하고, 물 분자는 전해질에 쉽게 반응해 불화수소 등 가스 발생 가속화로 활물질 전기 화학 특징 급감을 초래

문제점2. 성능저하

• 4가 전이 이온과 전해질 사이 반응한 층상구조 변이가 원인
• 니켈, 코발트, 망간 중 니켈만 2+에서 4+까지 가수 변경 가능
• 니켈의 4+ 변이로 전해질 분해가 가속화되고, 전해질 고갈 및 층상구조 변이가 일어나 열적 안정성이 낮아짐
• 열적 성능이 저하된 상태에서 리튬이 빠져나가 산소 방출을 유발하고, 산소가 전해질을 산화시키며 다량의 가스 발생
• 전기화학 급감으로 용량 감소(성능 저하) 발생

해결법1. 도핑 (Doping)

• 니켈의 2+에서 4+까지의 변이, 양이온 혼합 방지를 위한 니켈 이동 제한 방법을 도핑이라고 함
• 도핑 물질은 Al알루미늄, Zr지르코늄, Mg마그네슘, Ti타이타늄, B붕소, F플루오린, W텅스텐, Mo몰리브데넘, Ga갈륨, Vb질소족, Ca칼슘 등
• 도핑 물질의 특성은 전기화학적 비활성 원소, 높은 극성, 넓은 이온반경, 산소와의 강한 결합력임
• 하이니켈NCM에서 가장 많이 사용되고 연구되는 도핑 원소는 Zr
• Zr 도핑의 큰 장점은 충방전 사이클 중 전기화학적 반응이 없다는 것
• Zr은 4가 형태로 반응성이 강한 금속이지만 공기 중 얇은 산화막을 만들어 반응성을 없애는 은회색 전이금속이 됨
• Zr이 리튬 공간을 차지해 니켈이 리튬 공간으로 확산되는 것을 억제하고 구조 변이로 인한 안정성 및 성능 저감을 해결함
• NCM에서 안정성을 높이기 위해 Al 도핑을 사용하기도 함
• Al 도핑에서 알루미늄은 이온 반지름이 작아 고전압 전해질에서 산화가 되지 않음
• 일차 입자 구조로 안정적이며 작은 비중의 도핑으로도 용량 증가와 니켈의 리튬 자리 이동을 막을 수 있음
• 단, 리튬 이온의 확산을 방해해 용량 손실이 있을 수 있음
• 이외 붕소 도핑 기술이 시도되는 중

해결법2. 코팅(Coating)

• 도핑은 내부구조 안정화 기법인 반면, 코팅은 성능 유지와 관련된 기법
• 코팅을 통해 양극 활물질이 전해액과 직접 접촉을 하지 못하도록 방지하고 전해액 분해나 산화를 방지함
• 코팅 재료는 LiAlO2, Li3ZrO2, Li2O-2B2O3, Li3PO4, Li2WO4와 같은 일부 전도성 소재와 고속 이온 도체
• 도핑과 코팅 함께 활용할 경우 안전성과 성능 유지가 동시에 해결됨

 

주식 분석

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