“리튬이온배터리는 어떤 소재로 이루어져 있나요?” “양극재는 어떤 역할을 하나요?” “배터리가 충전될 때 어떤 화학 반응이 일어나나요?”
일상생활에서 빼놓을 수 없는 배터리. 배터리에 대한 모든 궁금증을 LG에너지솔루션이 답해드립니다! 첫 번째 시간에서는 니켈이 양극재 핵심 소재인 이유가 무엇인지, 양극재 개발 1팀 조치호 님의 답변을 들어보겠습니다.
니켈은 삼원계 양극 활물질인 NCA(Ni, Co, Al), NCM(Ni, Co, Mn) 계열에서 매우 중요한 원소입니다. 니켈이 양극 활물질의 핵심 소재인 이유는 배터리 셀(Cell)의 에너지 밀도를 좌우하기 때문입니다. 에너지 밀도를 높이기 위해서는 양극 활물질의 용량이 중요한데요. 이 용량을 늘리는 역할을 바로 니켈이 담당하고 있죠. 그래서 니켈은 양극재에서 떼려야 뗄 수 없는 소재입니다.
그렇다면 니켈 함량을 높이면 더욱 용량을 늘릴 수 있다고 생각이 될 텐데요. 하지만 니켈 함량을 무조건적으로 높이기는 어렵습니다.
첫 번째 이유는 니켈이 구조적 불안정성을 야기하기 때문입니다. 배터리가 충전될 때, 니켈은 4+로 산화됩니다. 이때 4가 니켈 이온(Ni⁴⁺)은 화학적 불안정성(Chemical instability)을 야기시키는데요. 전해액과 산화 반응을 통해서 표면 전체 혹은 일부에 산화니켈(Nickel Oxide)이 형성됩니다. 이는 곧 반응성이 없고 화학적 방법으로 변화하지 않으려는 성질인 불활성 구조를 만들게 되어 양극재의 퇴화가 진행됩니다.
또 니켈 함량이 올라가게 되면 열적 안정성이 매우 낮아지게 되는 것이 두 번째 이유입니다. 니켈과 산소(O)의 결합 에너지(Bonding Energy)는 다른 원소에 비해 약한데요. 이는 발열을 하면서 안정된 구조로 가려는 성질을 갖고 있기 때문입니다. 그래서 적절한 코팅 기법과 도핑 기법을 거쳐 열적 안정성을 높이며, 더 개선할 수 있는 기술을 개발하고 있습니다.
전이금속과 연관이 있는지에 대해서는 먼저 양극 활물질의 요구특성에 대해 살펴봐야 합니다.
요구특성에는 크게 두 가지가 있는데요. 첫 번째는 양극 활물질의 리튬을 격자 구조 내 보관할 수 있어야 합니다. 쉽게 말하자면 물질 사이에 분자, 원자, 이온이 삽입되는 인터칼레이션(intercalation)과 이온 결정이 빠져나오는 디인터칼레이션(deintercalation)이 되어야 하는 거죠.
두 번째는 단위 무게당 부피가 가볍고 밀도(Density)가 높아야 되는 요구특성이 있습니다. 니켈, 코발트, 망가니즈는 3d 전이금속에 속해있는데요. 이 경우에는 4d, 5d 전이금속에 비해 산화-환원반응의 전위가 높으며, 비교적 무게가 가볍고 크기가 작습니다. 때문에 단위 무게 혹은 단위 부피당 셀 에너지 밀도를 높이는데 유리합니다. 그래서 니켈, 코발트, 망가니즈를 양극재에 많이 사용하고 있습니다.
배터리에 대한 모든 것, All about Battery! 이번 시간에는 니켈 원소의 특징과 양극재에서 어떤 역할을 수행하는지 알아보았습니다. 배터리에 대해 궁금한 점이 있다면 LG에너지솔루션이 언제든지 답해드리겠습니다.