Special 첨단 기능성 세라믹소재 최신기술 및 산업응용 동향(2)

세라믹계 Li 이차 전지용 음극활물질 특허 분석

이민규_가천대학교 신소재공학과 학생
윤영수_가천대학교 신소재공학과 교수

1. 리튬 이차전지 음극재

리튬 이온 배터리는 양극재, 음극재, 전해질, 분리막으로 이루어져 있으며 리튬이 금속 상태가 아닌 이온 상태로 두 전극 사이를 왕복하는 화학적 반응을 통해 전기를 만든다. 배터리가 충전될 때는 리튬이온이 양극에서 음극으로 흐르고, 리튬이온이 음극에서 양극으로 이동하며 에너지가 방전, 방출된다. 리튬이온배터리의 작동원리는 [그림 1]과 같다.

그림 2. 리튬이온배터리의 개략도.

  이차전지의 구성하는 재료들을 바탕으로 기본적인 성능 특성들인 용량, 출력 및 수명 특성에 크게 영향을 미친다. 따라서, 리튬이차전지의 성능의 극대화를 위해 요구되는 특성들이 몇 가지가 있다. 원활한 이온전도율, 리튬이온 저장 정도와 높은 출력, 뛰어난 충ㆍ방전 특성, 낮은 전자 화학 반응성, 구조적 안정성, 저렴한 가격 등이 있으며 이러한 특성들은 용량 증대를 위해서 필수적이다. 충전 시 양극재에서 많은 리튬이온을 방출하더라도, 이를 저장하는 부분인 음극재에서 저장 공간이 충분하지 않다면 효율성이 떨어진다. 특히, 음극재가 리튬이온의 저장 능력이 좋으면 충전 시간도 짧아질 수 있으며, 리튬이온의 충ㆍ방전이 거듭되면 재료의 구조 변화를 일으켜 배터리의 수명이 저하되는 문제가 생길 수 있으며 배터리의 여러 가지 중요한 요인 중 수명에도 음극재의 영향이 크다. 그림2는 음극재의 구조를 보여준다.

그림 2. 리튬이차전지의 음극 구조.

  최근 산업의 발전으로 요구되는 소비전력량의 증가로 인해 높은 저장용량의 배터리를 요구하고 있으며, 양극재에 관한 연구가 매우 활발하여 저장용량이 증가함에 따라, 흑연계 소재를 기반으로 한 음극의 용량은 부족한 실정이다. 높은 작동 전압 및 용량을 얻기 위해서 음극재로 Li 금속을 사용하는 것이 좋은 방법의 하나다. 하지만 기존의 리튬이온배터리의 수용액 전해질에서 격렬한 반응성으로 인해 Li이 dendrite 형태로 성장하는 등의 기술적 문제를 해결하지 못하므로, 안정성의 문제가 있으므로 상용화가 어려운 상황이다. 이에 따라 기술적 대안으로 실리콘계 음극과 Li 금속이 연구되고 있으며, 본 기고는 최근 이차전지용 음극재에 대한 특허를 용량 및 효율, 안전성 및 수명 개선 등에 따라 흑연, 실리콘계, 리튬금속에 대해 분석하고, 해당 내용을 바탕으로 향후 음극재의 연구 방향 및 경향을 소개한다.

2. 음극재의 특허 분석을 통한 산업 경향 분석

1) 특허 분석의 목적

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