[과학/원소] 배터리의 필수 소재, 리튬

 

 

현대인들에게 리튬(Lithium, 원소번호 3번)은 매우 익숙한 원소로, 전자기기에 쓰이지 않는 곳이 없다. 배터리의 핵심소재이기 때문이다. 리튬은 가벼운 금속원소로, 상온에서 은백색을 띄고 있다. 또한 강한 전기전도성과 화학반응성은 가지고 있다. 리튬이 전지(배터리) 양극 소재로 사용되는 이유는 모든 원소 중에서 표준환원전위가 가장 낮기(약 -3.04V) 때문인데, 이는 가장 큰 환원력을 가진다는 의미이다. 리튬은 흔한 원소 중의 하나에 속하지만, 경제적으로 추출 가능한 리튬광석은 일부 국가(칠레·호주·아르헨티나 등)에 집중적으로 매장되어 있다. 이들 국가와의 무역관계 유지는 리튬공급의 지속가능성에 있어 절대적인 영향을 미친다. 

 

이차전지의 핵심, 리튬

 

1912년 루이스(Gilbert Newton Lewis, 미국 물리화학자)가 리튬을 전기화학적으로 활용하는 개념을 제안한 이후, 리튬배터리 연구는 100년이 넘게 이어져 왔다. 1958년 리튬을 배터리 소재로 사용하는 연구가 본격적으로 시작되었는데, 1970년대 리튬이차전지 구조가 제안되면서 엑슨(Exxon)이 개발에 나섰다. 1980년 리튬이 흑연에 가역적으로 삽입될 수 있다는 사실을 규명되면서, 이후 흑연음극이 대중화되었다. 1988년 몰리에너지(Moli Energy, 캐나다)가 리튬음극을 상용화한 제품(몰리셀)을 출시했으나, 안전성 문제로 흑연음극으로 대체되었다.

 

3년이 지난 1991년, 소니(Sony)가 리튬이온전지(LIB, Li-ion battery)를 상용화하는데 성공했다. 당시 일본은 소형전자기기에서 경쟁력을 가지고 있었으며, 특히 소니는 캠코더의 경쟁력을 향상하기 위해 작고 가볍고 오래 가는 배터리를 개발해야만 했다. 이렇게 탄생한 원통형배터리가 18650(지름 18mm, 높이 65mm)이며, 이후 오랫동안 표준사이즈로 자리 잡는다. 일차전지는 한 번 사용한 후 버리는 반면, 이차전지는 충전을 통해 여러 번 사용할 수 있다. 리튬이차전지는 주로 다음과 같이 구성된다.

양극(정극, 리튬-전이금속 산화물 등) : 충전시 리튬이온 나감

음극(부극, 탄소계) : 충전시 리튬이온 들어옴
전해질 : 리튬이온이 이동하도록 도움
분리막 : 내부단락(쇼트) 방지

외부전원을 연결하여 충전하면, 음극이 리튬이온(Li+)과 전자를 받아서 저장하게 된다. 양극에 있던 리튬이온이 전해질·분리막을 통과하여 이동하는 반면, 전자는 전선(외부회로)를 통해 음극으로 이동한다. 외부회로와 연결하여 방전하면, 리튬이온과 전자가 양극으로 돌아가면서 에너지를 방출한다.

 

2019년 노벨화학상은 리튬이온전지 개발에 기여한 3명(스탠리 휘팅엄, 존 구디너프, 요시노 아키라)이 공동수상했다. 1976년 휘팅엄은 리튬이온을 삽입할 수 있는 층상 구조물(티타늄디설파이드, TiS2)를 양극으로 사용하는 개념을 제안했고, 구디너프는 리튬철인산염(LiFePO4) 기반의 양극을 개발했다. 1985년 아키라는 리튬코발트옥사이드(LiCoO2)를 양극물질로 사용했고, 음극으로는 리튬 대신 흑연을 사용하여 안정성을 향상시켰다.

반응형

모양에 따른 구분, 배터리(전지)

 

배터리 내부에는 소재(양극·분리막·음극)가 반복적으로 쌓여 있는데, 폼팩터(Form Factor, 외형적 형태·구조)에 따라 다음으로 구분된다.

 

원통형(Cylindrical) : 테슬라, 리비안, 볼보

각형(Prismatic) : BMW, 폭스바겐, GM

파우치형(Pouch) : 메르세데스-벤츠, 포드, 르노, 현대·기아, GM

 

현재 자동차 제조사들이 가장 많이 사용하는 각형배터리는 납작한 직육면체 형태로, 알루미늄 캔으로 싸여져서 있어 외부충격에 강하고 수명이 길다. 하지만 모서리 부분에 유휴공간이 생길 가능성이 있어서 공간활용 측면에서는 불리하다. 파우치형은 라미네이션·스태킹 방식으로 여러 층을 쌓아 만든 납작한 형태로, 가볍고 유연하면서도 에너지 밀도가 높아서 설계유연성이 뛰어나다. 라미네이션(Lamination)은 전극·분리막을 쌓기 전에 각 층을 정렬해서 접합하는 단계이며, 스태킹(Stacking)은 정렬된 전극·분리막을 교대로 쌓아올리는 단계이다. 원하는 형태로의 전환이 쉽다보니 제품의 다양성과 생산의 유연성은 높은 반면, 낮은 생산성과 높은 가격으로 문제이다. 배터리팩 내 보호장치가 필요한데, 알루미늄 필름으로 덮여 있어서 외부충격에 취약하기 때문이다.

 

전통의 강호, 원통형

 

리튬이온전지가 상용화된 이래, 가장 먼저 상용화된 폼팩터는 원통형이었다. 젤리롤 형태로 말아서 만든 원통형은 내구성(안전성)이 좋으며 대량생산(높은 생산성)이 가능한 반면, 차량설계에 적용하기에는 공간활용이 어려운 부분이 있다. 대량생산으로 가격을 낮출 수 있지만, 규격화로 인해 가공성이 낮다. 원통형의 양극재는 하이니켈(니켈 함량이 60% 이상) 소재로, 보통 NCA(니켈크롬알루미늄)와 NCM(니켈크롬망간)이 적용된다. 높은 니켈 함량은 에너지밀도(용량·출력)을 높일 수 있지만, 안전성은 상대적으로 낮다. 둥근 외형은 내부의 열을 고르게 방출시키면서도, 내부의 안전장치를 설치할 수 있게 한다. 원통형배터리의 안정장치는 다음과 같은 안정장치로 전류를 차단시키거나 폭발을 방지한다.

 

PTC(Pressure Temperature Current Switch) : 과전류(높은 저항) 시, 전류 차단

CID(Current Interrupt Device) : 내부가스로 고압 시, 전류 차단

벤트(Vent) : 내부가스 방출

전기자동차에는 원통형배터리가 수천 개가 탑재된다. 2008년 테슬라는 로드스터(Roadster)에 원통형(18650) 도입한 이후, 21700을 거쳐 최근 46시리즈(지름 46mm)를 적용하고 있다. 향후 CTC(Cell To Chassis, 차체와 배터리 구조통합) 기술로 경쟁력을 높이고 있다. 로드스터는 로터스 엘리스(Lotus Elise) 차체를 기반하였으며, 1회의 충전으로 400km 가량을 주행 가능하며 가속 성능이 뛰어난 것으로 기억된다.