2차 전지에서 양극재가 가장 큰 비중을 차지하고 있지만 음극재도 중요한데 2차 전지 원가의 약 15%를 차지하고 있습니다. 배터리의 충전속도와 수명을 결정하고 있는 음극재에 대해 알아보도록 하겠습니다.
(2023년 2월 25일 방송)
배터리의 구조
양극재, 음극재
양극재는 배터리의 에너지원으로서 용량과 주행거리를 결정한다.
음극재는 충전 시 리튬이온을 저장하고 배터리의 충전속도와 수명을 결정한다.
음극재
음극재는 양극에서 나온 리튬이온을 저장하고 방출하는 역할은 한다. 흑연이 주요 소재로 사용되고 있는데, 최근에는 흑연보다 10배 더 많은 리튬을 저장할 수 있는 실리콘 음극재 사용도 늘어나고 있다.
음극재는 배터리의 충전속도와 수명을 결정한다. 음극재 종류에는 천연흑연, 인조흑연, 실리콘 음극재 등이 있고, 배터리 원가의 15% 정도를 차지하고 있다.
음극활물질
흑연
다이아몬드는 탄소원자가 다른 탄소원자 4개와 결합하고 있어서 매우 단단해서 깨지지 않는다.
흑연은 탄소원자가 다른 탄소원자 3개와 결합해서 깨지기 쉽다. 하지만 층상 구조로 되어 있어서 리튬이온을 저장할 수 있다.
천연흑연
천연흑연은 중국회사가 거의 다 하고 있다.
천연흑연 - 고용량
천연흑연 - 내부 층상구조의 발달로 리튬이온을 안정적으로 저장할 수 있는 음극재이다. 용량이 크고 가격경쟁력이 우수한 장점이 있다.
스웰링 현상이 발생할 수 있다.
침상코크스
침상코크스란 콜타르를 활용해서 제조하는 것이다.
콜타르는 철을 만드는데 필요한 원료탄을 덩어리 형태의 코크스로 만드는 과정에서 생산되는 부산물이다.
인조흑연 - 고수명
인조흑연은 등방형 구조로 스웰링 현상 가능성이 낮아서 좀 더 낫다.
음극재의 76%를 인조흑연이 차지하고 있다.
충전시간을 줄여준다.
단점 - 용량이 떨어진다. 가격이 비싸다.
인조흑연 방향으로 가고 있다.
저팽창 천연흑연 음극재
실리콘 음극재
실리콘은 지구상에서 가장 풍부하고 친환경적인 재료이다.
현재 전기차를 구입하기 꺼리는 것이 충전하는데 시간이 너무 많이 걸린다는 것인데, 실리콘 음극재가 충전 시간을 단축시켜 줄 수 있다.
양극재에서 니켈 비중을 확대하는 것이 추세인데, 하이니켈 양극재를 흑연이 소화하기가 힘들다. 실리콘이 밀도가 높고 리튬이온 포집속도도 빨라서 충전시간을 단축시킬 수 있다.
실리콘 음극재를 많이 넣으면 스웰링 현상이 일어난다. 스웰링현상이란 부피가 배터리 부피가 부풀어 오르는 것을 말하는데 이런 현상이 발행하면 폭발 위험이 있다. 현재는 흑연의 5~7%만 첨가할 수 있다.
주요 고객사 동향
테슬라 4680 배터리 - 하이니켈 양극재 + 실리콘 음극재
중국의 BTR이 세계 최고
SiOx VS SiC
SiOx : 실리콘 산화물
SiC : 탄화규소
실리콘을 무엇이 보호하느냐에 따라 정해지는데 SiOx는 실리콘산화물로 보호하고 SiC는 탄화규소로 보호한다.
흑연 VS SiOx VS SiC
SiOx는 진공증착 방식으로 만들어서 원재료 자체가 비싸다. 스웰링 현상이 적다.
SiC는 저렴하지만 스웰링현상이 발생할 수 있다.
대주전자재료가 SiOx를 제일 먼저 개발했다.
우리나라 대부분의 음극재 회사들은 SiC를 만든다.
실리콘 음극재 - 주행거리 증가 + 급속 충전
실리콘 음극재 주요 기업 스케줄
염블리와 함께 링크
(2023년 2월 25일 방송)
https://youtu.be/VA6B_4oRCi8?si=uVM22Ok7vUXyDXd2
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