최근 다수의 대형 배터리 기업들이 단결정 양극재 기반의 배터리 양산 체제로 전환을 준비하고 있고 단결정과 다결정 양극재를 혼합한 배터리 양산이 진행중이다.
단결정 양극재와 다결정 양극재의 장ᆞ단점
배터리 양극재는 전체 배터리 가격의 40 % 수준을 차지하는 핵심요소로 이차전지 시장에서 가장 큰 시장인 전기차 시장에서 가격 경쟁력을 갖기 위해서는 소재의 가격 인하가 필수적이다.
기존 배터리 양극재 기업들은 초기 저항이 높아 배터리 용량이 낮은 단점이 있는 단결정 양극재대신 용량이 높은 다결정 양극재 개발에 주력하였다.
하지만 다결정 양극재는 가스 발생으로 인해 배터리 팩이 부풀어 오르는 문제가 발생할 가능성이 높은 단점을 지니고 있으며, 또한, 용량을 증가시키기 위해 소재 내 니켈의 함량을 증가시킴에 따라 구조적 안정성이 낮아지고 화재 위험성이 높아지고 있어 이에 대한 해결책으로 단결정 양극재 개발 필요성이 커지고 있다.
현재 전기차용 양극재로 가장 많이 사용되는 NCM 계 양극물질을 예를 들어 설명하면 다결정 양극재는 니켈, 코발트, 망간의 여러 금속 입자가 작게 뭉쳐진 형태를 가지고 있어 양극을 일정 두께로 만드는 압연 공정 및 충ᆞ방전 과정에서 입자간 균열이 발생하기가 쉽다.
이러한 균열에 의한 소재의 파괴는 배터리 내 가스 발생을 증가시키고, 충ᆞ방전 주기를 감소시켜 수명 감소로 이어진다.
<그림 1. 압연에 따른 다결정 및 단결정 양극재 비교1)>
가스 발생이 늘면 배터리 내부가 부풀어 오르는 현상 (Swelling) 현상이 일어나게 되고, 이로 인해 분리막의 파손, 전해액 누출과 같은 배터리의 화재로 이어지는 문제로 연결되기 쉽다.
특히 이러한 문제는 현재 보편화 된 파우치형 배터리에서 더 큰 문제로 작용할 수 있다.
파우치형 배터리는 소재를 층층이 쌓아 필름에 패키징하는 형태로 원통형, 각형 배터리 대비 빈 공간 없이 배터리 소재를 채울 수 있어 에너지 밀도가 높고 공간 활용도가 뛰어나지만, 배터리 내부 가스를 방출하는 Degassing 부분이 약해 안정성이 낮다.
반면, 단결정 양극재는 여러 금속 입자를 단일 입자화해 쉽게 균열이 가지 않는 구조를 지니고 있어 배터리 내부에서 가스가 발생할 위험이 현저히 줄어들고 다결정 양극재 대비 입자가 커 입자 사이에 불필요한 공간을 줄여 에너지 밀도를 높일 수 있다는 장점이 있다.
또한, 높은 결정성, 구조적 안정성, 열적 안정성이 뛰어난 장점을 지니고 있다.
이러한 장점을 지니고 있는 단결정 양극재는 입자 크기에 따라 성능 차이가 매우 커서 최적화가 필요하다. 입자의 크기가 너무 큰 경우 Li의 확산 길이를 증가시키고, 입자 사이의 경계를 따라 빠르게 확산이 가능한 경로가 제한되어 전도도가 낮아지는 단점이 생기고 이러한 낮은 전도도는 율특성 감소로 이어진다. 반대로 입자의 크기를 줄이면 표면적 대비 부피 비율과 표면 열화 위험이 증가하는 단점이 있다.
<그림 2. 리튬 이차전지에서 단결정 양극재의 장점과 해결해야할 문제, 그리고 해결 방법 2)>
이러한 단점을 극복하기 위하여 적절한 크기를 갖는 단결정 입자를 생산하는 기술과 전도도 향상을 위한 입자 표면 처리 기술 및 이종원소 도핑 기술을 개발하는 것이 단결정 양극재 양산 개발의 중요 요소로 꼽히고 있다.
미래 양극재 시장의 발전 방향
단결정 양극재의 개발은 기존 양극재의 단점으로 꼽히는 충ᆞ방전 과정에서 배터리 폭발 위험을 상승시키는 스웰링 현상을 해결하고 탭 밀도 향상을 통한 에너지 밀도 향상을 가져올 수 있는 중요한 기술이다.
하지만 아직 해결해야만 하는 다양한 문제가 존재하는데, 이러한 문제 해결을 위해서는 많은 기업들이 참여하여 기술 개발에 대한 다양한 접근이 필요하다.
과거 일본과의 무역전쟁 당시 화이트리스트 삭제에 따른 불산 수입 금지사태에도 다양성과 기술을 보유한 중소형 기업들이 있어 빠른 국산화로 대처가 가능했다.
이차전지 시장은 매년 성장세가 가속화되고 있는 시장인 반면, 배터리 시장은 한 종류의 배터리가 모든 사용처에 유용한 것이 아니라 각 사용처별로 특화된 방향이 존재하여 다양한 종류의 소재가 필요하고 현재 수입 의존율이 높기 때문에 시장에 수요에 즉각 대응이 가능하도록 기술 역량을 보유한 기술 특화 기업을 지원하는 것이 매우 중요하다.
이렇게 기술 특화 기업의 성장은 안정적인 공급망 확보와 기술적 우위로 이어져 급변하는 국제 시장에서 경쟁력을 보유하게 될 것이다.
출처 :
- https://www.e-patentnews.com/8140
- “High-Voltage “Single-Crystal” Cathode Materials for Lithium-Ion Batteries”, Energy Fuels 2021, 35, 3, 1918–1932
최근 다수의 대형 배터리 기업들이 단결정 양극재 기반의 배터리 양산 체제로 전환을 준비하고 있고 단결정과 다결정 양극재를 혼합한 배터리 양산이 진행중이다.
단결정 양극재와 다결정 양극재의 장ᆞ단점
배터리 양극재는 전체 배터리 가격의 40 % 수준을 차지하는 핵심요소로 이차전지 시장에서 가장 큰 시장인 전기차 시장에서 가격 경쟁력을 갖기 위해서는 소재의 가격 인하가 필수적이다.
기존 배터리 양극재 기업들은 초기 저항이 높아 배터리 용량이 낮은 단점이 있는 단결정 양극재대신 용량이 높은 다결정 양극재 개발에 주력하였다.
하지만 다결정 양극재는 가스 발생으로 인해 배터리 팩이 부풀어 오르는 문제가 발생할 가능성이 높은 단점을 지니고 있으며, 또한, 용량을 증가시키기 위해 소재 내 니켈의 함량을 증가시킴에 따라 구조적 안정성이 낮아지고 화재 위험성이 높아지고 있어 이에 대한 해결책으로 단결정 양극재 개발 필요성이 커지고 있다.
현재 전기차용 양극재로 가장 많이 사용되는 NCM 계 양극물질을 예를 들어 설명하면 다결정 양극재는 니켈, 코발트, 망간의 여러 금속 입자가 작게 뭉쳐진 형태를 가지고 있어 양극을 일정 두께로 만드는 압연 공정 및 충ᆞ방전 과정에서 입자간 균열이 발생하기가 쉽다.
이러한 균열에 의한 소재의 파괴는 배터리 내 가스 발생을 증가시키고, 충ᆞ방전 주기를 감소시켜 수명 감소로 이어진다.
<그림 1. 압연에 따른 다결정 및 단결정 양극재 비교1)>
가스 발생이 늘면 배터리 내부가 부풀어 오르는 현상 (Swelling) 현상이 일어나게 되고, 이로 인해 분리막의 파손, 전해액 누출과 같은 배터리의 화재로 이어지는 문제로 연결되기 쉽다.
특히 이러한 문제는 현재 보편화 된 파우치형 배터리에서 더 큰 문제로 작용할 수 있다.
파우치형 배터리는 소재를 층층이 쌓아 필름에 패키징하는 형태로 원통형, 각형 배터리 대비 빈 공간 없이 배터리 소재를 채울 수 있어 에너지 밀도가 높고 공간 활용도가 뛰어나지만, 배터리 내부 가스를 방출하는 Degassing 부분이 약해 안정성이 낮다.
반면, 단결정 양극재는 여러 금속 입자를 단일 입자화해 쉽게 균열이 가지 않는 구조를 지니고 있어 배터리 내부에서 가스가 발생할 위험이 현저히 줄어들고 다결정 양극재 대비 입자가 커 입자 사이에 불필요한 공간을 줄여 에너지 밀도를 높일 수 있다는 장점이 있다.
또한, 높은 결정성, 구조적 안정성, 열적 안정성이 뛰어난 장점을 지니고 있다.
이러한 장점을 지니고 있는 단결정 양극재는 입자 크기에 따라 성능 차이가 매우 커서 최적화가 필요하다. 입자의 크기가 너무 큰 경우 Li의 확산 길이를 증가시키고, 입자 사이의 경계를 따라 빠르게 확산이 가능한 경로가 제한되어 전도도가 낮아지는 단점이 생기고 이러한 낮은 전도도는 율특성 감소로 이어진다. 반대로 입자의 크기를 줄이면 표면적 대비 부피 비율과 표면 열화 위험이 증가하는 단점이 있다.
<그림 2. 리튬 이차전지에서 단결정 양극재의 장점과 해결해야할 문제, 그리고 해결 방법 2)>
이러한 단점을 극복하기 위하여 적절한 크기를 갖는 단결정 입자를 생산하는 기술과 전도도 향상을 위한 입자 표면 처리 기술 및 이종원소 도핑 기술을 개발하는 것이 단결정 양극재 양산 개발의 중요 요소로 꼽히고 있다.
미래 양극재 시장의 발전 방향
단결정 양극재의 개발은 기존 양극재의 단점으로 꼽히는 충ᆞ방전 과정에서 배터리 폭발 위험을 상승시키는 스웰링 현상을 해결하고 탭 밀도 향상을 통한 에너지 밀도 향상을 가져올 수 있는 중요한 기술이다.
하지만 아직 해결해야만 하는 다양한 문제가 존재하는데, 이러한 문제 해결을 위해서는 많은 기업들이 참여하여 기술 개발에 대한 다양한 접근이 필요하다.
과거 일본과의 무역전쟁 당시 화이트리스트 삭제에 따른 불산 수입 금지사태에도 다양성과 기술을 보유한 중소형 기업들이 있어 빠른 국산화로 대처가 가능했다.
이차전지 시장은 매년 성장세가 가속화되고 있는 시장인 반면, 배터리 시장은 한 종류의 배터리가 모든 사용처에 유용한 것이 아니라 각 사용처별로 특화된 방향이 존재하여 다양한 종류의 소재가 필요하고 현재 수입 의존율이 높기 때문에 시장에 수요에 즉각 대응이 가능하도록 기술 역량을 보유한 기술 특화 기업을 지원하는 것이 매우 중요하다.
이렇게 기술 특화 기업의 성장은 안정적인 공급망 확보와 기술적 우위로 이어져 급변하는 국제 시장에서 경쟁력을 보유하게 될 것이다.
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