Special 차세대 전기차용 소재기술 개발 동향 및 산업전망(1)

차세대 자동차용 이차전지 음극소재 개발 동향

이상민_한국전기연구원 차세대전지연구센터 책임연구원

지난 30여 년간 지속적으로 개발되어온 리튬이온전지는 전기자동차용 주 전원으로서 적용됨에 따라 일충전 마일리지를 증가시키기 위한 에너지밀도 증가에 모든 기술적 전략이 집중되어 왔다. 이런 측면에서 리튬이온전지의 에너지밀도는 점차 거의 이론적 한계에 근접한 상황이다. 특히 양극의 경우 LiCoO2 양극 조성에서 시작하여 LiNixCoyMnzO2 조성 중심의 저가격화 및 고용량화가 지속적으로 진행되었으며 현재는 Ni 90% 이상의 조성에 이르기까지 최고 용량 설계가 완성되어감에 따라 더 이상의 양극활물질에서의 에너지 저장용량 증가는 기대하기 쉽지 않은 것으로 보고되고 있다. 따라서 향후 리튬이온전지의 한계를 넘어서는 고에너지밀도를 갖는 차세대 이차전지의 개발을 위해서는 고용량 음극을 기반으로 하는 전지설계가 반드시 필요하다.
  향후 전기자동차용 차세대 이차전지용 음극소재로서는 크게 고에너지밀도를 위한 소재개발 및 급속충전을 위한 소재개발로 나뉘어질 수 있다. 특히 최근에는 급속충전기능에 대한 고객 요구가 증대되어 이에 대한 기술개발이 절실히 요구되고 있으며 에너지밀도 측면에서는 주로 실리콘 및 리튬 원소를 기반으로 한 차세대 음극 등이 주요 개발전략으로서 제시되고 있다.

1. 급속충전 리튬이온전지용 음극소재기술

최근 들어 전기자동차 및 전력저장용 전원으로서의 리튬이온 이차전지가 적용되기 위해서는 무엇보다도 고입출력 특성이 확보되어야 한다. 특히 급속 충전 및 고입력 특성은 음극 내로의 리튬을 받아들이는 충전 능력에 좌우된다.
  급속 충전용 전원으로서의 리튬이온 이차전지가 확보해야 할 성능을 만족하기 위해서는 지금까지의 IT용 소형 리튬 이온 전지에 널리 사용되고 있는 흑연 음극 외에도 고 용량, 고 안전성, 고 내구성을 노린 차세대 음극 재료에 대한 검토가 이루어져야 한다.

1) 흑연계 탄소 음극 전지에서의 고속 충전의 과제와 대응
기본 문헌에서 보고된 바와 같이 전지 내부 저항을 가능한 작게 하는 것이 고속 충ㆍ방전 성능 향상의 기본이지만, 민생용 전지에서 일반적으로 사용되고 있는 흑연계 탄소를 음극으로 사용한 전지의 경우, 음극의 충전 전위가 고속 충전 성능을 향상하는데 걸림돌이 된다.
  전지를 고속 충전한 경우, 내부 저항에 의한 분극에서 음극 전위는 크게 내려가고, 경우에 따라서는 리튬 금속의 전위를 밑돈다. 이 결과, 음극 표면에는 금속 리튬이 석출된다. 음극 표면에 석출된 금속 리튬은 전해액 용매와 반응하여 피막을 생성하여 내부 저항 상승의 원인이 되며, 충ㆍ방전 사이클 성능 열화를 초래한다.

 
그림 1. 충전속도에 따른 셀 해체 후 흑연 음극 표면 형상 비교

  상기 그림에서 나타난 바와 같이 충전속도가 증가할수록 음극 표면 혹은 음극 입자 표면에서 리튬이 석출될 가능성이 증가되어 그 만큼 전지 안전성 및 신뢰성에 문제를 일으킬 가능성이 높아지게 된다.
  그림2은 흑연계 음극을 적용한 리튬이온전지의 충ㆍ방전 사이클 특성을 나타낸 것이다. 이 전지는 고출력용으로 설계한 전지인데, 그림에서처럼, 1C/1C의 충ㆍ방전과 비교하여 충전 전류를 3C로 한 3C/3C에서의 충ㆍ방전에서는 사이클에 따른 열화가 크다.

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