8. 전지 chemistry

[엔지닉 2차전지 칼럼소개]

2차전지의 경우 다른 산업과 달리 교육 프로그램이나 교육 자료가 거의 없습니다. 그렇다보니 2차전지 공부를 하려는 학생들이 실제로 저에게 어려움을 토로하곤 합니다. 그래서 2차전지 공부를 시작하는 학생들을 위해 2차전지가 무엇인지, 무엇을 알아야 하는지에 대한 글을 연재하려고 합니다. 해당 내용은 비전공자를 포함한 모든 이공계생은 물론, 2차전지에 관심이 있는 문과학생들도 알아 두면 좋은 내용들입니다. 2차전지에 관심이 있는 학생들에게 도움이 되기를 바랍니다.

리튬 이온 전지는 소재 중심의 전지로, 다른 전지에 비해 전지 chemistry가 복잡하고 소재가 중요한 역할을 한다. 1985년 일본의 아사이 카세이(Asahi Kasei)가 개발하고 1991년 Sony가 상업화에 성공한 리튬 이온 전지의 chemistry는 1996년 Sony가 전지 기술자 방출을 통하여 기술을 공개할 때까지 한국은 물론이고 전지의 선진국이었던 유럽과 미국에서도 파악하지 못하고 있었다. 1996년 Sony가 전지 chemistry를 공개하자 의외로 간단한 전지 chemistry에 사람들은 깜짝 놀랐다. Sony의 특징 중 하나가 단순화(simplification)인데, 리튬 이온 전지의 chemistry에서도 이런 Sony의 특징이 드러난다.

Sony는 음극에 소프트 카본 대신에 하드 카본을 사용했다. 고용량의 흑연은 전해액과의 반응 때문에 사용하지 못했다. 음극과 양극의 바인더로는 PVDF를 사용했고, PVDF를 녹이는 용매로는 NMP를 사용하였다. 분리막은 화학 조리개(chemical shutter) 기능이 있는 3층 건식 분리막을 사용했다. 온도가 올라가면 가운데 층인 PE(polyethylene)가 녹으면서 기공이 막히게 되는데, 이렇게 되면 리튬 원자가 분리막을 통과하지 못하여 전류가 흐르지 않는다. 이렇게 전류의 차단을 통해 열 폭주(thermal runaway)를 막을 수 있다.

리튬 이온 전지는 소재로 세대를 구분한다. 세대를 구분할 수 있을 정도의 비중 있는 소재 개발은 전부 일본에서 이루어졌다. Sanyo는 음극에 흑연을 사용하여 에너지 밀도를 획기적으로 올린다. 흑연 음극을 사용하기 위해서 전해액을 PC(propylene carbonate)에서 EC(ethylene carbonate)로 교체해야만 했다. 흑연과 전해액의 반응을 막기 위해 PC보다 분자가 작은 EC를 사용한 것이다. Sanyo는 저가 소재인 천연 흑연의 사용으로 가격 경쟁력을 확보한다. 천연 흑연 도입으로 음극의 바인더가 PVDF에서 SBR로 바뀌게 된다. 이후, 천연 흑연과 함께 원가 구조 개선에 기여한 것이 동박이다. 도시바 전지는 고가의 압연 동박을 저가의 전해 동박으로 교체하였다.

 건식 분리막은 두께가 20 마이크로 이하가 되면 뚫림 강도(puncture strength)가 약해서 사용하기 어렵다. 이 문제는 습식 분리막이 개발되며 해결되었다. 습식 분리막을 사용하면 두께가 10 마이크로까지 얇아져도 안전성을 보장할 수 있다.

 NCA, NCM과 같은 니켈계 양극 소재는 전기자동차 시대를 여는데 큰 기여를 하게된다. 니켈계 양극 소재 개발로 고출력, 고용량 전지가 가능하게 된 것이다. 전기자동차 시장은 새로운 소재의 출현을 기다리고 있다. 획기적인 소재가 개발되지 않으면 전기자동차용 전지의 목표 가격인 $100/kWh 달성이 어려울 것이라는 전망이 점점 우세해지고 있다. 현재 음극에는 규소가 흑연 음극의 대안으로 개발되고 있고, 양극은 니켈 함량을 늘리는 고위험 설계(high-risk design)에 집중하고 있다. 소재의 승자가 미래 전지 시장을 주도할 것이 자명한만큼, 자동차 산업계의 시선은 새로운 전지 소재 개발에 집중되고 있다.

[엔지닉의 요약정리!]

■ 리튬 이온 전지 = 소재 중심 전지 = 전지 chemistry가 복잡함

→ 소재가 중요한 역할!

■ 소재로 세대를 구분하는 리튬 이온 전지

1) Sanyo : 음극에 흑연을 사용 → 에너지 밀도가 획기적으로 상승

2) Sanyo : 저가 소재인 흑연 사용 → 가격 경쟁력 확보

3) 도시바전지 : 고가의 압연 동박을 저가의 전해 동박으로 교체

4) 습식 분리막 사용으로 두께가 10마이크로까지 얇아져도 안정성 보장 가능

5) 니켈계 양극 소재 개발로 고출력, 고용량 전지 개발 → 전기자동차 시대의 개막에 큰 기여

■ 미래 전지 시장을 주도할, 새로운 소재의 출현을 기다리는 전기자동차 시장

▶▶▶9편에서는 Sony의 하드카본 음극에 대한 내용이 이어집니다.