2차전지 기술(음극재)

2차전지 기술(음극재)

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음극재 이론

• 충전 시 양극에서 나오는 리튬이온을 받아들이는 소재
• 리튬이온배터리에선 낮은 전자 화학 반응성, 구조적 안정성과 낮은 가격을 고려해 흑연을 사용
• 흑연은 탄소가 결합한 층이 여러 겹 쌓인 규칙적 구조, 충전 과정으로 음극에 도달한 리튬 이온은 탄소층 사이에 저장
• 반복 충전으로 흑연 부피 변화는 구조 변형을 유발해 수명 감소 요인이 됨
• 배터리 내부 분자 구조적 특성을 고려한 제품 개발이 필수적
• 양극소재 개발이 한계에 도달하며 음극 소재 변경이 가장 큰 기술 방향성으로 급부상함

분류	특성	용량
흑연계	높은 안정성 높은 수명 가격 문제로 천연과 인조흑연 혼합 사용 추세	인조흑연 - 320~360mAh/g 천연흑연 - 350~370mAh/g
비경질 탄소계	높은 출력 짧은 수명 고속 방전에 유리한 특성	235~350mAh/g
금속(실리콘, 주석 등)	낮은 안정성 짧은 수명 고용량 배터리에 적합	700~1000mAh/g

음극재 기술 방향(SiOx계) 

• 에너지 밀도를 높일 수 있는 소재를 개발하는 것이며, 합금계 음극재, 화합물 음극재, 고출력 음극재로 나눌 수 있음
• 이 중 합금계 음극재에서 금속과 탄소 복합계 소재인 실리콘산화물(SiOx)계 음극재가 가장 주목받는 소재임
• SiOx계 음극재의 실리콘 소재는 이론용량이 3590mAh/g으로 흑연의 이론용량 372mAh/g보다 10배 이상의 용량을 갖고있음
• 고용량에도 불구하고, SiOx계 음극재는 충방전을 반복하며 실리콘의 물리적 구조 붕괴로 용량 안정성이 낮음
• SiOx는 1500~2000mAh/g 이론용량을 가지며 순수 실리콘보다 용량 안정성이 월등히 높음
• SiOx에 존재하는 산소가 리튬과 반응해 기계적 강도가 우수한 산화물을 형성하고 충방전 시 구조적 붕괴를 방지하는 역할을 함
• SiOx의 핵심 기술은 음극 내 산소량과 분포 미세 제어를 통한 균일성임

SiOx계 음극재 특징

• 장점
  • 마이크로 이상 크기에서 불가능한 반응을 나노를 통해 상온 구현 가능
  • 리튬 확산 거리 축소로 최대 용량 구현과 반응 속도 향상 
  • 리튬 합금화로 모양 변화 시 발생하는 변이 완화
• 단점
  • 전극 밀도 감소로 전지 부피당 에너지 밀도가 낮아질 수 있음
  • 나노크기 입자는 표면적을 넓게해 전해액 부반응과 열적 반응 증가로 가역효율 및 안정성 문제 발생 가능
  • 작은 입자이기에 전지 제조 공정 중 슬러리와 전극제조 단계에서 균일하고 일정한 전극 형태 구현에 어려움
  • 나노기술을 적용한 활물질 생산 제조 비용 상승
• SiOx계 음극재 단점을 보완하기 위해서는 소재를 나노화해야함

SiOx계 음극재 기술1. 활물질 개발 

• 일산화규소(SiO)는 나노결정립의 Si, 비정질 SiOx 매트릭스 내 섬 형태의 미세구조로 탄소코팅된 형태임
• 리튬과 반응해 SiO-C 물질의 초기 효율을 낮추며, 결정적으로 용량과 밀도 향상이 크지 않음

SiOx계 음극재 기술2. 바인더 소재 개발

• Poly Acrylic Acid(PAA)계, Carboxy Methyl Cellulose(CMC)계, Polymide계 바인더가 각광받음
• 기존 PVDF 또는 SBR계 바인더는 부피 변화가 흑연보다 상대적으로 심한 실리콘에 부적합함
• 신규 바인더 소재는 공통적으로 기존 바인더에 비해 높은 강성과 접착력을 보임
• 실리콘 활물질 부피변화에서 오는 전극구조 변화를 최소화시켜 전극 충방전 특성을 유지할 수 있음

SiOx계 음극재 기술3. 도전재 개발 

• 도전재는 전극에서 활물질 입자 간 또는 금속 집전체와의 전도도 향상과 바인더가 부도체로 작용하는 것 방지
• 배터리 내 전하의 이동통로 역할
• 도전재 종류는 덴카블랙, CNT
• CNT가 기계적 특성이 가장 우수, 섬유 형태로 활물질 입자 사이 탄력있는 전도성 다리 역할
• 여러 사이클 중 발생하는 부피 팽창에도 입자 사이 접촉을 긴밀하게 유지
• 용량이 기존보다 500mAh/g 더 높음
• 양극 물질과 합성했을때 저항이 현저하게 낮음