어떤 것 들을 알아둬야 할까?
2차전지 관련 투자를 하다 보면 화학과 관련한 내용을 알아야겠다는 생각이 많이 든다. 나열해 보자면 아래의 목록과 같이 많은데 학창시절 대충 배운 것들이긴 하지만 오랜만에 보다 보니 머릿속에 체계적으로 정리가 되어 있지 않다. 그래서 이에 대해 하나씩 차근차근 정리해 보고자 한다.
- 양극재, 음극재, 전해액(전해질), 분리막
- 셀, 모듈, 팩
- NCA(니켈코발트알루미늄, 삼원계), NCM(니켈코발트망간, 삼원계), LFP(인산철, 이원계)
- 니켈, 알루미늄, 망간, 코발트
- 주기율표 상 원소에 따른 특성
- 전기분해, 충전, 방전
먼저 ① 양극재, 음극재, 전해액(전해질), 분리막에 대해 알아보자.
양극재(양극활물질)는 양극(+)에 있는 리튬이온을 내보내는 곳이다. 양극재는 흔히 배터리의 밀도와 관련되어 있고, 밀도는 배터리의 용량과 연결된다. 그리고 용량은 결국 전기차의 경우 주행거리에 영향을 주게 된다.
- 양극재 = 배터리 밀도 = 배터리 용량 = 전기차 주행거리
양극재는 흔히 니켈, 알루미늄, 망간, 코발트를 이용하고, 대표적인 배터리 종류로 NCA, NCM, LFP를 떠올릴 수 있다.
음극재는 양극에서 이동해 온 리튬이온이 삽입되는 공간이다. 음극재는 배터리의 충전 속도와 수명에 영향을 미치는 요소로 음극재가 저장할 수 있는 리튬이온의 양이 많을 수록 배터리 수명이 길고, 리튬이온을 잘 받아들일수록 충전 시간이 단축된다. 대표적인 소재는 ‘흑연(graphite)’이다. 차세대 음극재 소재로는 ‘실리콘(Silicon)’이 주목 받고 있다.
전해액은 양극-음극 간 이온 이동을 가능하게 하는 중간 매개체로 리튬이온의 원활한 이동을 도움. 전해질, 용매, 첨가재로 구성되고, 이온전도도 향상, 수명 향상, 안정성 확보를 위해 다양한 첨가재를 사용하고 있고, 용매는 전해질을 녹이기 위해 사용하는 액체임
분리막은 미세한 구멍이 있어서 리튬이온이 양극-음극 사이를 이동할 수 있게 하지만, 양극-음극의 물리적 접촉을 절대로 허락하지 않는 목적. 전지의 안정성을 결정. 분리막 문제 생기면 음극에서 발생하는 Dendrite 확장을 방지하지 못 해 내부적인 단락이 발생하고, 이것은 열폭주로 이어짐. 따라서 분리막은 일정 온도 이상으로 상승하면 자동으로 구멍을 차단하여 이온의 전달을 막는 shut down 기능 가짐
② 셀, 모듈, 팩
패키징 방식에 의한 분류로 셀은 ‘리튬이온전지의 기본 단위’, 모듈은 ‘베터리 셀을 외부 충격으로부터 보호하기 위해 프레임에 넣어 조립, 팩은 ‘모듈을 여러 개 연결하여 BMS, 냉각시스템 등 각종 제어시스템 장착하여 완성한 배터리 시스템 최종 형태’ 이고, 즉 셀 > 모듈 > 팩 형태로 제작된다고 이해하면 된다.
③ NCA, NCM, LFP
NCM은 양극재(양극활물질)를 Ni(니켈), Co(코발트), Mn(망간산화물)로 구성한 배터리이고,
NCA는 양극재를 니켈, 코발트, 알루미늄산화물로 구성한 배터리로, 출력 밀도와 에너지 밀도가 높은 특성 보유,
LFP는 코발트 대신 철을 사용한 것으로 안정적이고 수명이 길다는 장점 있으나, 리튬이온이 빠져 나가는 확산속도가 낮고, 전기전도성도 낮음
2편에 이어서 정리하겠음!