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[김훈의 차량 화재 이야기] 양극재 - 차량 화재 감식 Ⅶ

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김훈 리스크랩 연구소장(공학박사/기술사) | 기사입력 2024/02/08 [12:20]

[김훈의 차량 화재 이야기] 양극재 - 차량 화재 감식 Ⅶ

김훈 리스크랩 연구소장(공학박사/기술사) | 입력 : 2024/02/08 [12:20]

▲ 김훈 리스크랩 연구소장(공학박사/기술사)     ©FPN

양극활물질은 주로 니켈과 크롬, 망간을 사용하는 삼원계 계열의 활물질이 가장 많이 사용된다. 리튬이온전지에서 양극과 음극을 오가며 직접 전기를 만들어내는 요소는 리튬이라는 활물질이다. 리튬이온은 전해질을 통해 방전 시 음극에서 양극으로 이동하고 충전 시에는 양극에서 음극으로 이동하며 일을 한다. 방전 시 전자는 도선을 통해 음극에서 양극으로 이동해 전류가 흐른다. 

 

이온의 이동 거리가 길수록 전지의 내부저항이 상승하기 때문에 저항을 최소화하기 위해 두 전극 사이의 거리를 최소화하고 양극에 카본블랙과 같은 전자 전도도가 높은 물질을 코팅하기도 한다.

 

양극은 알루미늄 집전체를 베이스로 해 양극 활물질과 도전제 바인더를 섞어 만든다. 양극재로 알루미늄을 사용하는 이유는 충전전압이 높은 환경에서 사용할 수 있는 양극 집전체의 경우 가격이 비싼 일부 특수금속을 제외하곤 알루미늄밖에 없기 때문이다.

 

양극 활물질로 최초로 사용했던 물질은 황화몰리브덴(MoS2)이었다. 황화몰리브덴은 음극재와 같은 층상구조로 몰리브덴(Mo)이 두 개의 황(S)사이에 끼어 있는 격자구조로 돼 있다. 소니(Sony)는 리튬이온전지의 양극 활물질로 리튬코발트산화물((LCO, LiCoO2)을 개발했는데 리튬코발트산화물은 전해액과 반응해 분해되는 현상이 발생했다. 이런 문제는 양극재 표면에 알루미늄(Al), 티타늄(Ti)과 지르코늄(Zr)을 코팅하는 방법으로 해결한다.

 

리튬코발트산화물은 출력이 좋았지만 사용시간이 짧았다. 그래서 분리막의 두께, 양극과 음극의 집전체 두께를 줄이는 방식으로 배터리의 에너지 밀도를 높여갔지만 한계가 있었다. 또한 양극재로 사용하는 코발트는 희귀금속으로 매장량이 한정돼 있어 원가가 높다는 점도 문제였다. 이를 해결하기 위해 자원이 풍부해 더욱 저렴하면서 성능이 좋은 재료가 필요했다.

 

이때 개발된 것이 니켈계 활물질인 리튬니켈산화물(LNO, LiNiO2)이다. 리튬니켈산화물은 70% 이상의 리튬이 가역적으로 충방전이 가능한 대표적인 고용량 재료였다. 하지만 충전 시 리튬이온이 빠져나가면서 니켈 원자가 리튬층으로 이동해 결정구조가 등방구조로 바뀌면서 산소가 빠져나오는 현상이 발생해 전지의 안전성이 떨어졌다.

 

니켈 원자가 리튬층으로 이동하지 못하게 잡아주는 역할을 하는 금속이 필요했고 이때 개발된 것이 니켈과 코발트를 주성분으로 하고 알루미늄을 소량 넣은 활물질인 니켈 코발트 알루미늄산화물(NCA,NiCoAlO2)이다. 니켈 코발트 알루미늄산화물은 출력이 우수해 하이브리드 자동차에 사용했다. 그러나 니켈 코발트 알루미늄산화물은 저온일 때 음극재에서 리튬금속이 석출되는 문제가 있었다. 동절기에 사용하는 하이브리드 자동차에는 치명적 결함이었다.

 

이 문제는 음극재로 사용하던 인조흑연을 소프트 카본으로 교체하면서 해결됐지만 하이브리드 자동차에 적합하도록 충전이 빠르고 전류를 크게 낼 수 있는 고율 특성이 좋은 배터리가 필요했다. 그래서 개발된 게 망간계 활물질인 리튬망간산화물(LMO, LiMn2O4)이었다. 하지만 리튬망간산화물은 용량이 적었고 55℃ 이상의 고온에선 망간이 용출돼 수명이 저하되는 문제가 발생했다. 자동차에는 중대한 결함이었다. 이 같은 문제를 개선한 것이 현재 사용하고 있는 삼원계 배터리인 니켈코발트망간산화물(NCM, Li[Ni,Co,Mn]O2)이다.

 

김훈 리스크랩 연구소장(공학박사/기술사)

 

※ 외부 필자의 기고 및 칼럼 등은 FPN/소방방재신문 편집방향과 일치하지 않을 수 있습니다.

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