배터리 양극재가 양극에 있는 리튬이온을 내보내는 곳이라면, 음극재는 양극에서 이동해 온 리튬이온이 삽입되는 공간입니다. 그렇다면 음극재는 배터리 내부에서 어떤 일을 수행하고 있고, 음극재로 쓰이는 물질에는 어떤 것들이 있는지 대해 한눈에 살펴보겠습니다.
배터리 충전 속도와 수명에 영향을 미치는 ‘음극재’
음극은 리튬이온을 삽입 및 방출하여 전류가 흐르게 하는 역할을 합니다. 음극재에 있는 리튬이온이 전해질을 통해 양극재로 이동하고, 리튬이온과 분리된 전자는 양극과 음극을 잇는 도선을 따라 이동하면서 전기 에너지가 발생하는 것이죠.
이 과정에서 음극재는 배터리의 충전 속도와 수명에 영향을 미치는 요소입니다. 음극재가 저장할 수 있는 리튬이온의 양이 많을수록 배터리 수명이 길고, 또 리튬이온을 잘 받아들일수록 충전 시간 역시 단축될 수 있습니다. 즉 수명이 긴 배터리의 음극재는 리튬이온을 반복적으로 삽입·방출할 수 있는 것인데요. 그래서 양극재에서 아무리 많은 에너지를 만들어도 음극재에서 리튬이온을 제대로 저장하지 못하면, 배터리 에너지를 효율적으로 이용할 수 없게 되는 것이죠. 때문에 음극재 기술 개발의 중요성이 나날이 높아지고 있습니다.
음극재 소재의 대표주자 ‘흑연’
현재까지 음극재에서 가장 많이 쓰이는 소재는 ‘흑연(Graphite)’입니다. 순수 탄소로만 이루어진 흑연은 탄소 원자 1개가 다른 탄소 원자 3개와 결합해 정육각형 모양이 반복되는 얇은 판을 이루고, 그 판이 쌓인 층상 구조를 띕니다. 흑연의 규칙적인 구조 덕분에 리튬이온이 사이사이에 안정적으로 삽입되어 음극재 소재로 적합합니다.
흑연은 천연흑연과 인조흑연으로 나뉘는데요. 천연흑연을 음극재에 사용하면 리튬이온 저장용량이 크고, 생산 비용이 저렴하다는 장점이 있습니다. 하지만 천연흑연은 리튬이온이 삽입될 때 입자 내부 구조가 팽창하고, 표면이 불안정해 삽입·방출 능력이 저하되면서 배터리 수명도 줄어듭니다. 이에 비해 고온의 흑연화 과정을 거쳐 제조되는 인조 흑연은 입자 내부 및 표면이 안정적인 구조를 형성해 천연 흑연에 비해 팽창이 적고 수명 성능이 우수합니다.
차세대 음극재 소재로 떠오르는 ‘실리콘’
전기차 배터리 시장의 수요가 증가하면서 차세대 음극재에 대한 요구도 커지고 있는데요. 차세대 음극재 소재는 바로 ‘실리콘(Silicon)’입니다.
음극재에 흑연 대신 실리콘을 사용할 경우 배터리의 1g 당 용량이 10배나 이상 높아지고, 배터리 급속 충전 설계도 더 쉬워집니다. 또 실리콘은 친환경 소재로도 꼽히고 있어서 차세대 음극재로 주목받고 있는 것이죠.
LG에너지솔루션도 실리콘 음극재 개발에 많은 노력을 기울이고 있는데요. 2019년 세계 최초로 실리콘 ‘약’ 5%의 음극재를 순수 전기차 배터리에 적용시키는 성과를 냈습니다. 또 세계 최초로 실리콘 7% 함량의 음극재 적용을 위한 기술 개발을 추진하여 기술 혁신을 거듭하고 있습니다.
지금까지 리튬이온배터리의 핵심소재인 음극재의 역할과, 음극재 소재로 쓰이는 흑연과 실리콘의 특징에 대해서 알아보았습니다. 다음 시간에도 인포그래픽을 통해 배터리에 대한 지식을 알차고 쉽게 알려드리겠습니다!