Special 차세대 전기차용 소재기술 개발 동향 및 산업전망(1)

차세대 자동차용 리튬이온이차전지 양극 소재 개발 동향과 전망

오필건_부경대학교 인쇄정보공학과 교수

1. 서론

최근 세계 곳곳에서 이상기후 현상이 전방위적으로 빈번하게 발생하고 있다. 올해 (2020년) 초 호주에서 4개월이 넘게 지속된 자연발화에 의한 산불, 우리나라에서 발생하는 전례 없는 장마와 잦은 태풍의 발생, 빠르게 녹고 있는 북극의 빙하 등 지구는 빠르게 또 명확하게 위험 신호를 우리에게 보내기 시작하였는지 모른다. 이러한 급속한 환경 변화는 산업화 과정에서 무책임하게 사용되거나 훼손된 산림과 에너지 변환과정에서 발생한 CO2 가스에 의한 지구 온난화 현상 때문이라고 이해되고 있다. 1992년 리우에서 채택된 ‘기후변화에 대한 UN 기본협약‘ 이후 세계 각국은 훼손된 지구의 환경을 개선하고자 지나친 환경오염을 자제하고 친환경 산업과 기술을 육성하려는 노력을 시작하였다.
  이러한 추세 속에서 효율적 에너지의 활용과 친환경 에너지 개발이 매우 중요하게 되었고, 이에 천문학적인 금액의 투자가 시작되었다. 친환경 에너지 개발과 활용은, 친환경적인 방법으로 에너지를 생산/확보하여, 화석연료와 같이 CO2 발생을 동반하는 에너지 생산을 조금 더 친환경적인 방법으로 변환하는 것과 생산된 에너지를 효율적으로 이동시키고 저장하는 것이 중요하다. 이런 점에서 리튬이온전지(Lithium ion battery, LIB)는 지난 20년간 가장 효율적이며 가장 안정적인 에너지 저장 및 이동 수단으로 활용되어왔다.
  그림 1과 같이, 리튬이온전지는 양극, 음극, 전해질, 분리막 4대 구성요소로 이루어져 있으며, 그중 양극은 리튬이온을 제공하며 화학에너지를 저장하는 부분으로 전지의 가격 및 성능을 결정한다. 저자는 지금까지의 리튬이온전지 양극 소재 연구와 최근 연구를 간단하게 정리함과 동시에 앞으로의 필요한 연구를 소개함으로, 독자들에게 양극 소재 연구와 앞으로의 연구 방향에 대한 이해를 돕고자 한다.

그림 1. 리튬이차전지 구성

2. 리튬이차전지 양극 소재 개발 역사

2019년 노벨화학상을 수상한 미국 UT Austin의 J. Goodenough 교수의 LiCoO2 소재 개발을 시작으로 리튬이온을 제공하는 양극소재 개발과 상용화가 시작되었다. 양극 소재의 기본적인 전기화학 메커니즘은 충전 과정 중, Power supply에 의해 양극에서 Li 이온과 전자가 음극으로 이동하게 된다. 이를 위해 양극 전극 내의 활물질에서 리튬이온이 탈리되며, 이와 동시에 양극활물질을 구성하고 있는 전이금속의 산화수 변화로 인해 전자가 발생하게 된다. 이렇게 발생한 리튬이온은 내부 전해질을 통하여, 전자는 외부 도선을 통하여 음극으로 이동하게 된다.

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<본 사이트에는 일부 내용이 생략되었습니다. 자세한 내용은 세라믹코리아 2020년 11월호를 참조바랍니다. 정기구독하시면 지난호보기에서 PDF를 다운로드 하실 수 있습니다.>