양극재, 음극재, 분리막, 전해질 등은 리튬이온배터리의 4대 소재로 꼽히는데요. 소재마다 역할은 다르지만 모두 배터리의 성능을 높이는데 중요한 요소입니다. 이 중에서 음극은 양극에서 나온 리튬이온을 저장하는 역할을 하며, 음극이 얼마나 많은 리튬이온을 안정적으로 저장하느냐에 따라 배터리 수명과 충전 속도 등의 성능이 결정되죠. 이에 배터리 업계에서는 음극에 대한 연구를 지속적으로 이어가고 있습니다.
이 과정에서 등장한 것이 바로 무음극(Anodeless) 기술입니다. 이번 배터리 용어사전에서는 무음극전지란 무엇인지, 그리고 무음극전지가 차세대 배터리로 주목받고 있는 이유도 알아보겠습니다.
무음극(Anodeless)이란?
무음극이란 말 그대로 배터리 내부에 음극 활물질이 존재하지 않는 구조를 뜻합니다. 음극재가 없다는 것은 곧 리튬이온을 저장하는 공간(Host)이 없다 의미이기도 하죠.
그렇다면 음극이 없는 무음극전지는 어떻게 충·방전이 가능할까요? 충전 시 양극에서 나온 리튬이온이 전자와 만나 음극 집전체 위에 리튬메탈(Lithium metal) 형태로 도금(Plating)되어 음극을 형성합니다. 반대로 방전될 때는 리튬메탈이 전자를 잃어서 다시 리튬이온의 형태로 탈리(Stripping)되어 양극으로 이동합니다. 즉 별도의 리튬메탈 음극으로 구성하지 않아도 음극이 형성되었다가 사라지는 구조로 셀이 작동하게 됩니다.
차세대 배터리로 꼽히는 무음극전지의 장점
무음극전지는 여러 이점을 바탕으로 차세대 배터리 후보로 주목받고 있는데요. 어떤 장점을 가지고 있을까요?
● 에너지 밀도 향상: 무음극전지는 기존의 이차전지 구조와는 다르게, 충전 시에만 리튬이온이 도금되는 구조이기 때문에 초기 셀 두께를 줄일 수 있습니다. 이에 공간 활용도가 높아지면서 같은 부피에 더 많은 리튬을 저장할 수 있어 부피당 에너지밀도가 증가합니다.
● 제조 공정 비용 및 원재료비 절감 효과: 무음극전지는 음극 활물질이 없기 때문에, 음극 제조 공정 일부를 단순화할 수 있습니다. 이는 제조 공정 비용 및 원재료비 절감 효과와 공정성 향상의 효과로 이어집니다. 또한 리튬메탈 음극의 경우 높은 화학적 반응으로 리튬이 산화되는 것을 방지하기 위해 드라이룸(Dry room) 이상의 환경에서 공정이 이뤄져야 하는데요. 무음극전지 제조 시에는 이런 환경이 필요하지 않다는 점이 장점으로 꼽힙니다.
● 재활용 용이성: 무음극전지는 방전 상태에서 리튬 메탈이 존재하지 않는데요. 이로 인해 재활용 과정이 용이할 수 있다는 가능성이 있습니다.
무음극전지의 한계는?
이론적으로 무음극전지는 대부분의 배터리에 적용이 가능하지만, 상용화하기 위해서는 먼저 해결해야 할 과제가 있습니다.
● 쿨롱 효율(Coulombic Efficiency, CE) 저하: 액체 전해질을 쓴 리튬이온배터리에 무음극 구조를 적용하게 되면 리튬의 부반응에 따른 쿨롱 효율(Coulombic Efficiency, CE)이 낮아지는 점을 극복해야 합니다. 쿨롱 효율은 배터리가 충·방전 사이클 동안 얼마나 많은 전하를 손실 없이 효율적으로 보전하는지를 나타내는 지표인데요. 충·방전 과정에서 리튬이 리튬이온으로 도금됐다가 다시 회수되어야 하는데, 리튬과 액체 전해질의 화학적 반응으로 리튬이 회수되지 못하고 손실이 발생하는 것입니다. 때문에 액체 전해질 기반 구성에서 무음극전지를 구현하면 수명과 성능 저하가 일어날 수 있습니다.
*용어사전-쿨롱 효율(CE, Coulombic Efficiency) 보러가기
● 덴드라이트(Dendrite) 발생: 음극 집전체와 리튬의 친화성이 낮으면 리튬이 균일하게 도금되지 못해 덴드라이트가 형성될 수 있습니다. 덴드라이트가 분리막을 통과하여 양극에 닿으면 단락이 발생하고, 나아가 배터리 성능과 안전성을 떨어뜨릴 수 있기 때문에 반드시 해결해야 합니다.
무음극 구조를 전고체배터리에 적용한 LG에너지솔루션
LG에너지솔루션은 이러한 한계를 극복하기 위해 전고체배터리에 무음극 구조를 적용하고, 특별한 공정 기술을 적용했습니다.
전고체배터리는 액체 전해질 대신 고체 전해질을 사용하기 때문에 상대적으로 안정적이며 부반응을 최소화할 수 있습니다. 때문에 무음극전지로 만들게 되면 도금-탈리 사이클이 더 안정적으로 반복될 수 있고, 리튬 손실을 줄여 성능을 확보하는데 유리합니다.
*[Battery Pioneer] 고체전해질로 안전성과 밀도를 높인 궁극의 배터리, ‘전고체배터리’ 보러가기
그리고 LG에너지솔루션은 음극 집전체에 △리튬 친화 물질(Lithiophilic Materials, 이하 LPM)을 코팅 △산화 처리(Oxidation) 두 가지 공정 기술을 적용하여 덴드라이트 현상을 억제했습니다.
LPM 코팅은 리튬 친화성 금속 물질인 은(Ag), 금(Au), 백금(Pt), 아연(Zn), 마그네슘(Mg) 등의 소재를 집전체 표면에 고르게 분산시키는 공정입니다. 리튬이 특정한 곳으로 몰리지 않게끔 조치를 취한 것이죠. 또한 산화 처리는 LPM이 코팅되지 않은 음극 집전체 영역의 리튬 친화도를 보완하기 위해 산화 처리를 진행한 것인데요. 이로 인해 집전체의 필수 성능인 전기전도도의 감소를 최소화할 수 있었습니다.
지금까지 무음극 용어에 대해 알아보았습니다. LG에너지솔루션이 개발 중인 무음극전지에 대해 더 자세한 이야기가 듣고 싶다면 아래 콘텐츠를 클릭해주세요!
