[논문]리튬이차전지용 음극 소재 기술 개발 동향

김성수

doi:10.5229/jkes.2008.11.3.211

리튬이차전지용 음극 소재 기술 개발 동향
Recent Developments in Anode Materials for Li Secondary Batteries 원문보기

전기화학회지 = Journal of the Korean Electrochemical Society, v.11 no.3, 2008년, pp.211 - 222

초록
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휴대용 전자기기의 전원으로 채용되어 상업적으로도 성공을 거두고 있는 리튬이차전지는 HEV(Hybrid Electric Vehicle)와 같은 비IT용 전원으로서도 중요성을 더하고 있다. 리튬이차전지는 리튬금속을 사용함에 따라서 초래되는 안전성을 문제를 탄소계음극을 채용하고 이에 따른 안전기구를 확보함에 의해 상용화 되었다고 할 수 있다. 이와 같이 전지에 있어 전극소재의 개발은 핵심기술이라 할 수 있으며, 점차 그 응용처가 확대되어 가고 있는 리튬이차전지의 전극소재 개발은 전지 산업뿐만 아니라 타 산업에 미치는 영향은 크다고 할 수 있다. 여기서는 리튬이차전지가 상용화되어 온 이후 채용되어온 음극과 개발중인 음극 후보에 대해 그 장단점을 분석해 보고자 한다.

Abstract ▼ AI-Helper

Li secondary batteries, which have been in successful commercialization, are becoming important technology as power sources in non-IT application like HEV(Hybrid Electric Vehicle) as well as in portable electronics. It is not the overstatement that the commercialization of Li secondary battery was a result of the development of carbonaceous anode material and safety mechanisms. The R&D of electrode materials of Li secondary batteries is one of the core technologies in the development and it has enormous influences on various fields as well as on the battery industry. Here, the current research of anode materials is described and the underlying problems associated with development, advantages and drawbacks is analyzed.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

여기서는 리튬이차전지에 있어 가장 핵심이 되는 4가지 소재 분야 중에서도, 특히 그 중에서도 원천적인 기술적breakthrough가 일어나서 상품화를 이루게 된 탄소 음극과 그 외에 개발중인 새로운 음극을 포함하여 그 발전 동향을 간단히 살펴보고자 한다.
이상과 같이 리튬이차전지의 기술 발전에 있어 중요한 Breakthrough를 제공했던 탄소음극을 비롯하여 금속/합금계, 그리고 최근 전지 안전성을 확보하기 위해 주목받고 있는 Li₄Ti₅O₁₂ 와 같은 산화물 소재까지 간단히 살펴 보았다. 이러한 활발한 소재 기술 개발의 근본 원동력은 보다 고성능, 고효율의 에너지 저장장치의 필요성에 의한 것이라고 판단할 수 있다.

성능/효과

1,2) 리튬 인터컬레이션이 가능한 탄소계 재료를 사용하게 됨으로서 리튬 금속전극의 안전성 문제를 해결 할 수 있었고, 더욱이 탄소재료는 리튬과의 전기화학 반응 전위가 리튬 금속에 가까우며, 결정구조의 변화가 적어서 지속적인 산화환원 반응이 가능하여 전지 적용 시 우수한 싸이클 수명을 나타낼 수 기반을 제공할 수 있었다.
이러한 리튬과 반응하지 않는 금속상은 리튬과 반응하는 금속상의 부피변화를 억제하거나 부피변화에 의한 균열발생 및 전극열화를 개선할 수 있도록 높은 기계적 강도를 갖고 전지 전도성이 우수한 특성을 갖는 것이 바람직하다. 이러한 개념을 적용한 연구사례를 보면 활성상인 Si를 TiN, TiB₂, SiC 와 같은 리튬과 반응하지 않는 금속과 혼합하여 복합체를 형성하여 복합체를 형성하여 순수 Si전극에 비해 우수한 충전/방전 싸이클 특성을 얻을 수 있었다. 그러나 이 경우에 있어 리튬과 반응하지 않는 금속상의 무게 및 부피는 복합체 활물질의 리튬저장 용량을 감소시킬 수 있고 리튬과 반응하지 않는 금속상을 통한 리튬 이온 전도가 어려워 Li 과 Si의 반응이 억제 될 수 있는 문제점이 있다.

후속연구

현재는 여러 상황으로 보아 리튬이차전지에 있어 이제까지의 휴대용 정보기기의 전원으로의 역할 뿐만 아니라 친환경 자동차용 혹은 대용량 전력저장 등과 같은 보다 그 용도가 확대, 검토 되고 있는 시점이기도 하다. 이러한 신에너지원으로서의 요구성능은 현재까지의 고용량, 고출력을 요구하는 특성 외에도 안전성 신뢰성 등의 성능을 요구가 것으로 판단되며, 이에 따라 소재에 대해서도 다양한 관점과 시각도 필요하게 될 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	리튬이차전지가 상품화되게 된 이유는 무엇인가?	리튬이차전지는 1991년 소니사에 의해 상품화된 이래 최근 정보통신기기의 급속한 발달과 더불어 리튬이차전지 시장 및 기술은 빠른 속도로 발전하고 있다. 그 이전에 리튬이차전지에 대한 연구는 1950년대말 NASA가 군사, 우주용으로 개발했던 에너지원 기술로서 리튬 금속과 유기전해액을 사용함으로써 생기는 문제를 약 30여년의 연구개발 끝에 탄소재의 음극과 안전성을 확보하면서 상품화되게 된다.
	리튬이차전지의 성능향상은 어떠한 개발과 기술에 의한 것인가?	리튬이차전지의 성능향상은 용량 등의 제반 특성에 결정적인 영향을 미치는 양극, 음극의 소재의 개발과 이러한 전극소재 사이의 전하의 이동 통로를 제공하는 전해질과 격리막, 크게 4가지 핵심 소재 기술에 의한 것이라고도 할 수 있다. 전지성능향상이 느리다는 것은 이러한 핵심 소재의 기술개발이 그리 쉽지 않음을 의미한다고도 할 수 있다.
	초기에 개발된 리튬이차전지는 어떻게 개선될 수 있었는가?	초기에 개발된 리튬이차전지는 음극재료로서 리튬금속을 사용하는 것이었으나, 낮은 용융 온도와 산화환원반응시의 형태학적 비가역성의 문제점이 나타났는데 특히 반복 충방전에 따른 리튬 금속의 와해와 재형성에 기인한 형태학적 비가역성의 결과인 리튬 전극 표면의 수지상(dendrites) 성장물이 전지의 내부 단락을 일으키는 요인이 되기도 하였다.1,2) 리튬 인터컬레이션이 가능한 탄소계 재료를 사용하게 됨으로서 리튬 금속전극의 안전성 문제를 해결 할 수 있었고, 더욱이 탄소재료는 리튬과의 전기화학 반응 전위가 리튬 금속에 가까우며, 결정구조의 변화가 적어서 지속적인 산화환원 반응이 가능하여 전지 적용 시 우수한 싸이클 수명을 나타낼 수 기반을 제공할 수 있었다.

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