[논문]리튬이차전지 음극활물질 연구개발 동향

김성수; 최완욱; 이상민

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제안 방법

Sony사에서는 2005년 Sn-Co를 합금화하고 탄소와 복합 전극을 채용한 Nexelion이라는 전지를 발표한다.⁵⁾ 기존의 18650 원통형 전지(직경18mm, 길이 65mm)와는 달리 14430(직경14mm, 길이 43mm)이라는 dimension을 달리한 전지에 채용하여 비디오 캠코더에 적용하였다. 고용량으로 온도 특성도 우수하다는 Sony사의 발표와는 달리 확대 적용은 안 되고 특정 모델로만 적용 중인 것으로 보인다.
4. Sanyo사가 발표한 Si 기둥상 음극을 사용한 전지의 방전 곡선과 전지의 용량 비교.
이런 신음극 개발을 위한 주요 전지 업체들의 개발 동향을 살펴 보기로 한다. 고용량 음극 소재의 제1후보로는 Si계열 소재들인데 Sanyo사의 경우는 Li과 반응에 따른 Si소재의 체적 팽창을 피하는 방법으로 전극의 형태를 제어하여, 체적 팽창할 수 있는 기둥상 구조로 되어 있는 Si계 물질을 전극으로 활용하는 구조을 고안하였다. 물리적인 증착 방법을 사용하여 집전체 기판위에 입힌 Si 기둥상들의 용량은 3000mAh/g 이상의 용량, 초기 효율 역시 96%로 양호한 특성을 보이는 것으로 보고하고 있다.

대상 데이터

5. L₄Ti₅O₁₂ 활물질의 충방전 곡선(0.5 C, 1 C, 2 C, 10 C, 20 C, 40 C).

성능/효과

4의 방전 곡선을 비교해보면 흑연을 사용한 방전 곡선보다 Si 음극 전지의 방전 곡선이 평균 전압이 낮아진 것을 볼 수 있는데 이는 동일 양극을 사용하였을 때 음극 전위가 흑연 보다 Si이 높아 상대적으로 전지 전압을 낮아짐을 알 수 있다.⁴⁾ 이전에 기술하였던 것처럼 방전용량이 증가하고 전압이 낮아지는 전지에 대한 IT 기기 업계의 반응은 그리 호의적인 것만은 아니라는 것이 평균 전압이 낮아지면 전력량 자체가 감소할 뿐만 아니라 회로내의 변환 손실도 같이 발생하기 때문인 것으로 판단된다. 다시 말하자면 Si 음극 자체의 용량만을 흑연과 비교하면 10배 이상인 것처럼 보이지만, 체적 변화에 대한 부분, 전지 전압이 낮아 지는 부분, 사용기기의 전기 회로 내에서의 손실 발생 부분 등을 감안하면 흑연에 대비, 어느 정도의 용량 증가를 도모할 수 있는지 하는 것이 Si 적용을 위한 중요한 기준이 될 것이다.
4에 나타내었다. 시제작된 전지에서 흑연음극을 사용하였을 때 기준이 되는 전지용량을 300mAh라고 할 때 Si 음극을 사용한 경우 410mAh 전지 용량을 보이는 것은 약 30% 정도의 용량이 증가했다고 판단되고, 초기 사이클에서의 쿨롱 효율도 흑연의 92% 대비 90%로 크게 떨어지지 않는 값을 나타낸다. Fig.
고용량으로 온도 특성도 우수하다는 Sony사의 발표와는 달리 확대 적용은 안 되고 특정 모델로만 적용 중인 것으로 보인다. 이 Nexelion이라는 전지역시 앞서 언급한 산요의 Si계열 소재와 마찬가지로 체적 팽창에 대한 고려로 에너지 밀도 손실이 생기는 부분과 음극 전위 상승에 의한 전지 전압이 흑연 채용 전지의 평균 전압 3.7V에 비해 3.45V로 열세에 있어 생기는 에너지밀도 특성의 열세 외에 수명 특성 또한 기준 전지에 비해 열세한 것으로 판명되었다. 이로서 이 Nexelion에 적용된 Sn계열 음극은 시장에 등장한, 흑연을 대체할 신소재라는 측면에서 높이 평가받아야 할 것으로 사료되지만, 앞서 기술 했던 고에너지밀도를 지향하는 Si이나 Sn계열의 소재들은 필히 거쳐야 할 신소재의 적용 기준으로 시장에서 평가받아, 애석하지만 통과하지 못한 것으로 조심스럽게 판단한다.

후속연구

⁴⁾ 이전에 기술하였던 것처럼 방전용량이 증가하고 전압이 낮아지는 전지에 대한 IT 기기 업계의 반응은 그리 호의적인 것만은 아니라는 것이 평균 전압이 낮아지면 전력량 자체가 감소할 뿐만 아니라 회로내의 변환 손실도 같이 발생하기 때문인 것으로 판단된다. 다시 말하자면 Si 음극 자체의 용량만을 흑연과 비교하면 10배 이상인 것처럼 보이지만, 체적 변화에 대한 부분, 전지 전압이 낮아 지는 부분, 사용기기의 전기 회로 내에서의 손실 발생 부분 등을 감안하면 흑연에 대비, 어느 정도의 용량 증가를 도모할 수 있는지 하는 것이 Si 적용을 위한 중요한 기준이 될 것이다. 이와 같은 Si계 음극의 단점들을 극복하기 위한 접근 방법들은 상기 기술한 Sanyo사와 같은 형태를 제어하는 방법 중에 최근 들어서 mico-porous, nano-fiber, tube, rod 등등 여러 연구들이 활발히 진행되고 있는 것으로 보인다.
마지막으로 V 계산화물(Li_1.1V_0.9O₂)에 대해서는 음극산화물로서 0.3V라는 낮은 방전 전위를 가지고 이론적인 체적당 에너지밀도가 1000mAh/cc을 넘는 고에너지밀도 전지가 가능할 것으로 예측되고 있으나, 산화물 음극의 특성인 초기 비가역 효율과 약 30%의 체적 변화에 대한 기술 개발이 더 필요할 것으로 판단된다.⁸⁾
이런 과제를 해결하기 위해서 잠재적으로 높은 에너지 밀도를 갖는 음극 소재에 대한 연구는 앞에서 기술한 바와 같이 여러 가지 방향으로 모색되고 있으나, 새로운 음극 투입까지 꽤 많은 시간이 필요하다고 보여진다. 이와 더불어 음극 소재의 탐색/연구/개발에 있어서 고에너지 밀도 개발 방향외에도 application에서 요구되는 고안전/고출력 혹은 COST 측면에서 연구개발 필요가 있는지, 양극소재와의 매칭, 고체전해질재료와 계면특성 등을 고려하는 것과 같은 다양한 방향의 검토가 필요한 시점이 되지 않았을까 하고 생각한다.

핵심어

질문

논문에서 추출한 답변

리튬 이차 전지의 응용 분야는?

리튬 이차 전지의 응용 분야는 휴대용 기기의 전원뿐만 아니라 전기 자전거, 전동 공구 등의 기존 시장 외에 최근에는 HEV, PHEV, EV 등 수송용 응용 분야 및 녹색 성장의 핵심 분야로 Smart Grid 적용 전력 저장 장치까지 확대되고 있다. 리튬 이차 전지는 90년대 초반 상품화 이래로 양극, 음극, 전해질 등의 기본 chemistry는 크게 변화하지 않았다.

신형 Li 이온 전지는 어떻게 나눌 수 있는가?

등장하는 신형 전지는 크게 나누어 2종류다. 체적 에너지 밀도의 증가는 크지만 전지의 방전 전압이 크게 낮아져 버린 전지, 또 하나는 용량의 증가는 작으나 방전 전압이 지금까지의 전지들과 비슷한 전지다. 방전전압이 낮아진 고용량 전지를 이용하고자 하는 업체는 시스템 LSI나 기기전체를 저 전압용으로 재설계 하지 않으면 안 된다.

리튬 이차 전지는 90년대 초반 상품화 이래로 기본 Chemistry가 어떻게 변화하였는가?

리튬 이차 전지의 응용 분야는 휴대용 기기의 전원뿐만 아니라 전기 자전거, 전동 공구 등의 기존 시장 외에 최근에는 HEV, PHEV, EV 등 수송용 응용 분야 및 녹색 성장의 핵심 분야로 Smart Grid 적용 전력 저장 장치까지 확대되고 있다. 리튬 이차 전지는 90년대 초반 상품화 이래로 양극, 음극, 전해질 등의 기본 chemistry는 크게 변화하지 않았다. 전지의 에너지밀도에 대해서는 전지내부용적의 최적화에 의한 에너지밀도 증가는 별도로 하고, 충전 전압에 대한 상승(4.

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