안녕하세요. 원형석 과학전문가입니다.
양극재는 배터리의 용량과 출력 등을 결정하는 핵심소재로 소재로 생산원가의 40% 가량에 달해 배터리 산업에서 차지하는 비중이 크다. 음극재와 분리막, 전해질과 함께 배터리의 4대 소재로 불린다.
양극재는 배터리 성능을 결정한다. 에너지 밀도를 끌어올리기 위해서는 양극활물질의 에너지밀도를 최대로 높여야 하는데 배터리로서 적합한 성능을 내는 양극활물질로는 Ni(니켈), Mn(망간), Co(코발트), Al(알루미늄) 등을 꼽을 수 있으며 니켈은 고용량 특성, 망간과 코발트는 안전성, 알루미늄은 출력특성을 향상시키는 역할을 한다.
양극재는 이들 물질을 적당한 비율로 섞어 만드는데, 크게 NCM(nickel cobalt manganese)과 NCA(nickel cobalt aluminum) 두 종류의 양극재가 시장을 주도하고 있다.
전기차용 배터리에는 주로 니켈 함량이 높은 양극재가 쓰인다. 양극재 내에 니켈 함량이 높을수록 배터리 용량증대가 쉽기 때문이다. 하지만 니켈 함량이 높으면 안전성이 떨어지기 때문에 니켈 함량을 높이면서 안정성을 얻는 게 양극재 기술의 핵심으로 꼽힌다.
양극재는 바로 그 중요한 리튬이 들어가는 공간을 확보해 주는 것이라고 간략히 말씀드릴 수 있습니다. 하지만 리튬은 반응성이 강하고 불안정한 물질이어서 산소를 포함한 리튬 산화물 형태로 양극을 구성하게 됩니다.
리튬 산화물처럼 양극에서 실제 배터리가 전극 반응에 관여하는 물질을 '활물질'이라고 부릅니다. 또한 양극 활물질이 코팅되어 있는 캐소드(Cathode) 전극을 양극집전체라고 부르며 알루미늄 재질을 사용합니다. 즉 알루미늄 기재에 양극 활물질을 코팅한 것이 바로 양극입니다.
양극재의 단면 도식도
활물질을 양극집전체에 코팅하기 위해서는 접착제 역할을 하는 바인더를 사용하며 전기전도를 좋게 하기 위해 도전재를 섞어 씁니다. 양극재는 종류에 따라 에너지 용량과 전위차 즉 전압이 달라지므로 어떤 재료를 사용하는가에 따라 리튬이온 전지의 성능을 결정할 수 있습니다.
