초전도전극재료
초전도성 물질은 전기전도성, 안전성, 충진성 측면에서 가장 완벽한 소재이기 때문에 리튬계 물질과 고온에서 반응시켜 활물질로 제조할 경우 가장 강력한 에너지밀도와 충방전 속도를 지닌 전극재료가 만들어집니다.
1. 이차전지 양극재(Cathode materials)
- 1양극재는 리튬이온전지에서 최초 리튬이온을 제공하는 에너지원으로 활물질, 도전재, 바인더, 집전체로 구성되며 전지 제조원가의 40% 비중을 차지하고 있습니다.
- 2활물질은 전기화학반응에 참여하는 물질(LCO, NCA, NCM 등)이고, 도전재와 바인더는 각각 전기전도성 향상과 기계적 안정화에 기여합니다.
- 3활물질과 바인더, 도전재를 용매에 섞은 슬러리를 집전체(Al) 표면에 코팅 및 건조한 후, 압축과 슬리팅 공정을 통해 제조합니다.
- 4고온 압축 과정에서 전극의 두께는 낮아지고 집전체와 활물질 간의 접착성이 증가하여 전지의 에너지 밀도 상승과 특성 향상에 기여합니다.
- 1위 그림은 공침법을 활용한 활물질 전구체 제조과정을 나타내고 있습니다.
- 2활물질은 전지의 용량과 출력을 결정하는 물질입니다.
- 3서로 다른 이온들을 수용액 또는 용액에서 동시에 침전시키는 공침법을 주로 사용하고 있습니다. 이 반응을 통해 제조된 전구체와 리튬계 물질을 고온에서 반응시켜 활물질을 제조합니다.
- 4전구체(Precusor)란 다른 화합물을 생성하는 화학반응에 참여하는 화합물을 일컫는 말로 양극 활물질에서는 금속산화물 또는 금속수산화물이며 리튬계 물질로 수산화리튬 또는 탄산 리튬을 사용합니다.
| 현성티엔씨는 상온 초전도성 물질을 보유하고 있기 때문에 고부가가치 구현을 위해 이차전지 양극재 활물질을 직접 생산하여 공급하려는 계획을 지니고 있습니다. |
2. 이차전지 음극재(Anode materials)
- 1음극재는 양극에서 나온 리튬을 저장했다가 방출하면서 전기를 발생시키는 역할을 담당합니다.
- 2활물질로 탄소재료가 주로 사용되며, 전해질이 고체인 전고체전지의 경우는 덴드라이트 문제를 해결하기 위해 탄소재료를 구리보다 전기전도도가 높은 은(Ag)으로 코팅하는 기술이 개발 중입니다.
- 3리튬전지용 음극재로 사용되는 탄소재료는 결정질의 흑연계와 비정질 탄소계로 분류됩니다. 결정질의 흑연재료는 리튬이온이 흑연층 평면(graphene layer)에 층간 삽입 반응에 의해 저장되며 자연에서 생성되어 채굴되는 천연흑연(natural graphite)과 석탄계 및 석유계 피치 등을 2,500℃이상으로 열처리하여 제조되는 인조흑연(artificial, synthetic, pyrolytic graphite) 등이 있습니다. 비정질 탄소 재료는 리튬이온이 흑연층 평면 사이에 저장되는 것 이외에 탄소층의 결함 및 불완전한 적층 구조에 의해 발생한 공극들 중에서 특정 조건을 만족하는 나노 공극들과 선단면측에 리튬이온이 저장되며, 저온열처리 탄소(soft carbon)와 난흑연화성 탄소재료(hard carbon)로 구분됩니다.
- 4특히 전고체전지를 충전할 때 양극에서 음극으로 이동하는 리튬이 음극표면에 적체되며 나뭇가지 모양의 결정체가 나타나는 덴드라이트 문제가 발생하는데, 이 결정체는 배터리의 수명과 안전성을 훼손합니다. 이러한 덴드라이트 문제를 해결하기 위해 국내 대기업을 중심으로 전고체전지 음극에 은-탄소 나노입자 복합층을 적용한 석출형 리튬음극 기술이 개발되고 있는 추세입니다.
| 초전도성 물질은 전기저항이 전혀 없는, 지구에 존재하는 가장 완전한 도체이기 때문에 은(Ag)을 대체하여 탄소재료 코팅재로 사용할 경우 덴드라이트를 억제할 수 있는 최고의 소재가 될 것입니다. |