[SDI 칼럼]배터리 소재에 따른 xEV 종류

 

xEV의 등장과 함께 핵심 솔루션인 2차전지에 대한 관심이 더욱 커지고 있는 가운데 동력원인 배터리로 니켈수소(NiMH)와 리튬이온(Li-ion)전지가 각축을 벌이다 리튬이온전지(LiB)가 대세로 굳어지고 있습니다.

 

한편 LiB가 갖는 물질 특성의 한계와 리튬의 희소성과 높은 가격 등으로 인해 주요 국가들과 업체들이 대체물질 개발을 통한 차세대 배터리 개발과 상용화 노력을 가속화하고 있는 상황입니다.

 

본 고에서는 xEV 소재(LiB, NiMH 등) 에 따른 종류를 소개하도록 하겠습니다.

 

1. 리튬이온(Li-ion) 전지

 

 

■ 현재 대다수의 xEV용 배터리 생산 업체들이 LiB 를 채택하고 있음. 셀을 Package하는 방법에 따라

각형과 파우치로 나눌 수 있습니다.

- SB리모티브: 각형(Prismatic), LG화학: 파우치(Pouch)

 

 

 

■ LiB의 구성은 다음의 표와 같이 크게 4개의 요소로 나뉘게 됩니다.

 

■ 양극재료

1991년 개발된 LCO(리튬코발트산화물)가 대표적인 양극활물질로 사용되어 왔으나, 충방전시 열이 많이

발생하는 등 화재위험(안전성)과 함께 코발트가 고가의 희소금속인 관계로 최근들어 사용비중이 크게

축소되고 있는 반면 NCM, LNO, LMO, LFP 등 다양한 양극재가 개발중이거나 상용화 되고 있다.

 

 

■ 음극재료

흑연(Carbon;탄소)계가 주류를 이루고 있는 LiB 음극재의 경우 저가의 중국산 천연흑연과 기술력을

바탕으로 한 일본산 인조흑연(소프트카본을 2400℃ 수준에서 열처리)으로 양분 LTO나 Si계 재료가

그 대안으로 개발되고 있다.

 

■ 분리막

나노입자 크기의 미세 다공성 고분자 막으로 우수한 기계적 강도와 화학적 안정성과 함께 가격도

낮은 PE(폴리에틸렌), PP(폴리프로필렌) 등의 다공막들이 주로 사용

 

■ 전해액

LiPF6(육불화인산리튬) 등과 같은 리튬복합염(전해질;리튬염)과 FEC(불화에틸렌카보네이트),

VEC(비닐에틸렌카보네이트) 등의 첨가제를 용매에 혼합하여 제조

 

 

1-1. 리튬메탈폴리머(Li Metal Polymer;LMP) (양극소재)

 

■ 2002년 Avestor(캐나다 하이드로 퀘벡과 커맥기 화학 50:50 조인트 벤처) 세계 최초의 상용 리튬 금속

폴리머(LMP) 현재는 문을 닫음.

2008년 프랑스 'Bollore'그룹 LMP BlueCar 소개

 

 

■ 5개의 얇은 층으로 구성.

(절연체, 리튬호일(음극), 전해질, 양극, 금속 호일)

고체 상태의 물질로만 구성. 고체 건조 고분자가 양극과

음극 사이 분리막 구성.

양극활물질로 리튬전이금속산화물을, 음극활물질로

리튬금속을 사용함.

 

■ Cathode : Vanadium oxide, Carbon black, polymer 층으로 이루어진 복합 전극

얇은 Al 금속 호일은 Current 역할

 

■ Electrolyte(전해질): polymer와 건조 리튬이온 고분자로 이루어진 고체형태.

 

■ 장점

고안전성, 고에너지밀도, 고동력밀도

이온 전도도가 우수한 고체 전해질을 사용 액체 전해질 전지의 단점인 누액과 폭발 위험성 없다는 장점.

 

■ 단점

리튬금속의 반응성, 낮은 녹는점, 높은 유동성 등의 문제점은 해결과제.

초기 리튬음극을 사용하였으나 리튬음극의 석출 등으로 인하여 싸이클 수명이 저조

리튬-메탈 폴리머 전지는 100~200 cycle 정도의 수준.

 

1-2. 리튬인산철전지(LiFePO4;LFP) (양극소재)

■ 리튬인산철은 독일업체인 수도켐이 캐나다 포스켐으로부터 특허를 양도받아

전량 중국에서 생산하고 있음. 2019년까지 특허가 존재해 한국양산이 어려움.

현재 리튬인산철 배터리는 BYD 등 중국 업체들이 세계시장 석권

 ■ 장점

리튬이온전지 대비 가격(30%저렴) 및 안정성.

양극제로 코발트나 망간보다 가격 싼 철을 사용.

폭발위험성이 없다

 

■ 단점

에너지 밀도는 작아 효율이 떨어지는 단점.

 

1-3. 티탄산리튬(Lithium Titanate Oxide:LTO) (음극소재)

■ Toshiba에서 독자 개발한 티탄산리튬(LTO)의 열 안정성 특성 앞세워

신형 리튬이온 전지「SCiB」개발 니가타현 카시와자키市에 양산 공장 신설,

'11년 2월부터 생산 시작

 

■ 장점

스피넬 구조(충방전 시 부피팽창 적음)

급속 충전 가능함(7분 90% 이상 충전)

고율 장수명 가능(83% 이상, 800cycles)

우수한 열적 안정성

기존 대비 6배인 6,000회 이상 반복 충전해 사용 가능, 5분 내 급속 충전 성능도 차별화 포인트

 

■ 단점

작동전압이 2.4V 에너지 밀도 낮다

높은 수분 함량(~4000 ppm)

고온 저장시 gas 발생에 의한 Swelling 현상

수계 바인더 적용 어려움

금속산화물로 극판 저항이 높다

[출처] [SDI 칼럼]소재에 따른 xEV 종류(1)|작성자 삼성SDI