2차 전지 업종 정리 2 (양극재 종류와 특징 음극재 특징)

 

2차전지-업종정리

 

이번 글은 2차 전지 업종 정리 1에 이어서 양극재와 음극재 특징에 대해 알아보려고 합니다. 특히 양극재와 양극활물질 종류(LCO, NCM, NCA, LMO, LFP)와 특징, 음극재 음극활물의 종류와 특징에 대해 자세히 설명드릴게요. 2차 전지 업종 정리를 이해하면 2차 전지 관련 주식 투자에 도움이 되실 거예요.

 

2차 전지 업종정리 1편은 아래 링크를 통해서 확인가능합니다. 1편부터 보고 오시면 더 도움이 많이 되실 거예요.

2023.03.12 - [행복한 인생] - 2차 전지 업종 정리 1 (2차 전지 특징, 2차 전지 구성요소, 관련주)

 

양극재와 양극활물질의 종류와 특징

양극재

2차 전지에서 최초 리튬이을 갖고 있다가 음극으로 내보내는 역할을 함. 양극에서 음극으로 이동하면서 충전하고, 양극기재(주로 알루미늄 기재) 양쪽에 양극활물질, 도전재, 바인더를 접합해 제작한다. 리튬산화물로 구성 활물질에 소량 도전재를 넣어 전도성을 높이고, 접착제 역할 하는 바인더를 넣어 알루미늄기재 양쪽에 바른다. 

양극재-구성-그림

 

양극활물질의 종류와 특징

양극활물질은 리튬(금속) 산화물이다. 리튬에 다른 물질을 결합 산화물 형태의 구조이다. 어떤 양극활물질 사용하느냐에 따 저장되는 전자(e-)의 수가 달라지고, 배터리의 용량과 출력이 결정된다. 양극활물질은 리튬과 금속성분의 조합으로 구성되는데, 금속의 종류와 비율에 따라 다른 특성을 가진다. Ni(니켈)은 고용량, Mn(망간)과 Co(코발트)는 안전성, AI(알루미늄)은 출력 특성을 향상하는 역할이다. LCO(리튬코발트산화물)은 높은 에너지밀도와 긴 수명, 리튬 2차전 상업화 초기에 많이 사용되었다. NCM(니켈코발트망간)은 현재 가장 많이 이용되며, 에너지 밀도가 높고, 주행 거리 길고 충전 시간이 짧다. 또한, 안정성이 낮다. NCA(니켈코발알루미늄)은 타 소재에 비해 출력 에너지 밀도가 높고, 주행거리는 길고 충전 시간은 짧으며 안전성이 낮다. LMO(리튬망간산화물)은 망간을 이용 가격이 저렴하고, 구조적 안정성이 우수하나, 고온에는 단점이 있다. LFP(리튬인산철)은 철을 사용 저렴하고 안정성이 높고, 기술장벽이 낮으며, 에너지 밀도도 낮아 지속시간이 떨어진다. 순도 및 전기전도도  등 성능 개선이 필요하다. LFP 배터리는 주로 중국, 삼원계 배터리(NCM, NCA)는 주로 한국, 일본에서 생산한다. 참고로 하이니켈 배터리는 양극재에 들어가는 니켈 함량을 60~70%에서 80~90%로 크게 높인 배터리로, 니켈 비중을 늘려 에너지 밀도가 높아져서 전기차의 1회 충전 시 주행거리가 증가하게 된다. 니켈 비중을 높일수록 배터리 성능은 개선되지만 안정성이 떨어지는 단점이 있다.

 

양극활물질-5가지-종류

 

도전재, 바인더, 전구체

2차 전지에서 도전재는 전자전도 통로, 전도성(전자의 이동성)을 높여주는 역할로, 카본 블랙이 주로 사용되며, 탄소나노튜브(CNT)는 카본블랙보다 전도성 높아, 도전재의 사용량을 1/5로 줄일 수 있다. 탄소나노튜브(CNT)는 강도가 철강보다 100배 뛰어난 특징이 있어 배터리 수명 개선에 도움 되며, 상용화 연구 중이다. 바인더는 알루미늄기재에 활물질과 도전재가 잘 정착하도록 접합 역할을 한다. 활물질과 도전재를 감싸서 금속판(=양극기재)에 고정시킨다. 참고로 전구체는 양극재를 만들기 위한 전단계인 활물질의 일부를 의미한다.

 

음극재와 음극활물질의 종류와 특징

음극재

2차 전지에서 음극재는 양극재에서 이동한 리튬이온 저장하는 역할을 한다. 리튬이온의 이동 시 구조변화가 없도록 한다. 음극기재(주로 동박이 쓰임) 양쪽에 음극활물질, 도전재, 바인더를 접합해 제작한다. 리튬이온이 양극에서 음극으로 이동하므로 음극에서 중요한 것은 리튬이온(Li+)을 많이 저장할 수 있는 공간과 그 공간이 이루는 구조적 안정성이다. 이러한 음극의 특성을 만족시키기 위해 흑연이 널리 사용된다. 흑연은 탄소가 결합된 하나의 층이 여러 겹 쌓인 구조로 아주 규칙적인 분자 구조를 가지고 있기 때문이다. 

 

음극활물질 종류와 특징

음극활물질에서 사용도는 천연흑연> 인조흑연> 실리콘 복합계 순서이다. 각 물질별 장단점으로 인하여 천연흑연 베이스에 인조흑연과 실리콘을 섞어 사용하는 추세이다. 참고로 흑연을 이을 차세대 음극 소재로 실리콘이 부각되고 있다. 장점은 리튬이온을 많이 담을 수 있는 고용량(흑연의 10배)으로 이로 인해  음극재 에너지 밀도 향상된다. 이에 따라 주행거리 늘릴 수 있고, 배터리 충전 속도도 증가된다. 단점은 팽창 문제가 있다. 에너지 충전 시 음극재 부피가 400%가 커진다. 현재는 실리콘 소재의 단점 때문에 흑연 사이에 실리콘 나노 입자를 끼워 넣는 방식이 사용된다. 실리콘 음극활 물질은 기존 흑연 소재에 비해 부피 팽창이 크기 때문에 CNT 도전재가 실리콘 음극재 팽창 잡아주는 보완재로 사용된다. 

 

2차 전지 업종에 대해 이해가 되었나요? 2차 전지 업종 내용에 대해 기본적인 내용을 알아 두면 2차 전지 관련된 주식 투자에 큰 도움이 되실 것이라고 믿습니다.