전기차 배터리 양극재와 음극재

2차전지, 무엇이고 어떻게 생겼나?

전기차에 들어가는 배터리를 2차전지라고 부르는데요. 건전지 같은 1회용 배터리를 우리는 1차전지라고 부르며, 충전을 하면 재사용이 가능한 배터리를 2차전지라고 부릅니다. 그리고 수소 같은 연료를 넣어주면 알아서 전기를 만들어주는 배터리를 연료전지(3차전지)라고 부르죠.

오늘 살펴볼 2차전지는 양극재와 음극재, 전해질, 분리막으로 구성되어 있습니다. 2차전지를 전기가 흘러다니는 회로라고 생각하면 +극이 양극재고 -극이 음극재입니다. 그리고 양극재와 음극재 사이를 리튬이온이 이동하며 전류가 흐르는 원리입니다. 배터리를 충전할 때는 양극재에서 음극재로 리튬이온이 이동하며, 배터리를 사용(방전)할 때는 반대로 음극재에서 양극재로 리튬이온이 이동합니다.

2차전지의 심장, 양극재

양극재는 2차전지에서 가장 중요한 소재로 꼽히며, 전체 2차전지 원가의 40% 이상을 차지하는 부분입니다. 양극재는 전기가 흐르게 하는 리튬이온을 만들어내는 우물 역할을 합니다. 이런 양극재는 2차전지의 배터리 용량과 출력(전압)을 결정하죠.

양극재는 몇 가지 소재들을 조합해서 만들어집니다. 니켈, 코발트 같은 소재들을 어떻게 조합하느냐에 따라 양극재의 성능이 결정되는데요. 각 소재의 특성은 다음과 같습니다.

니켈(Ni) : 니켈은 배터리 용량을 높여주는 핵심 소재입니다. 양극재에 니켈의 함량이 높을수록 에너지 밀도가 높아집니다.
코발트(Co) : 코발트는 배터리의 수명과 관련이 있습니다. 그러나 코발트는 가격이 비싸기 때문에 중국의 배터리 업체들은 코발트 대신 인산철이라는 소재를 사용하기도 합니다.
망간(Mn) : 망간은 열에 안전하다는 특징이 있습니다. 그리고 가격이 싸다는 장점도 있죠.

 

이외에도 알루미늄이나 리튬, 옥사이드 같은 소재들을 사용하기도 합니다. 요즘 가장 일반적인 양극재 조합은 니켈-코발트-망간(NCM)이며, 배터리 용량을 키워 전기차의 주행거리를 늘리기 위해 니켈의 함량을 높이는 하이니켈(High-Nickel)계 양극재가 대세입니다.

실제 전류가 흐르게 해주는 음극재

음극재는 양극재에서 흘러나온 리튬을 저장해두고, 이를 방출하면서 실제로 전류를 만들어 외부 회로로 흐르게 해주는 역할을 합니다. 전기차에 실제로 전류를 전달하는 역할을 하는 부분이죠. 음극재는 배터리 충전 속도와 배터리 수명에 영향을 줍니다.


음극재에는 과거 흑연이 가장 많이 사용되었습니다. 원자 구조가 안정적이기 때문이었습니다. 하지만 최근 차세대 음극재 소재로 실리콘이 주목을 받고 있습니다. 실리콘은 흑연보다 가볍고, 급속 충전에 알맞다는 특성 때문에 많은 기업들이 실리콘 음극재 개발에 나서고 있는데요. 그러나 실리콘은 잘 부서지고, 충전 시 부피가 팽창한다는 특징 때문에 당장 이를 해결해야 합니다. 그럼에도 최근 많은 기업들이 실리콘을 음극재에 사용하기 위해 많은 연구를 진행했고, 차세대 음극재는 실리콘이 될 것으로 전망됩니다.


정리하면

양극재와 음극재는 2차전지의 성능을 구성하는 핵심 부품들이기 때문에, 당연히 전기차의 성능에도 큰 영향을 끼칩니다. 양극재가 발전할수록 전기차의 주행 거리가 늘어나고 스포츠카급 출력을 가지게 될 것입니다. 그리고 음극재가 발전하면 더욱 빠르게 전기차를 충전할 수 있어 더욱 많은 사람들이 편하게 전기차를 이용하게 되겠죠. 현재 전기차 시장도, 2차전지 산업도 빠르게 성장하고 있는 만큼 양극재와 음극재 역시 빠르게 발전하는 중입니다.

※ LG에너지솔루션, 삼성SDI, SK이노베이션 같은 큰 배터리 회사들이 있지만, 이들을 받쳐주는 회사들도 알아두시면 좋겠습니다. 다가오는 전기차 시대에 맞는 매력적인 투자처가 될 수도 있지 않을까요?