양극재 소재에 따른 배터리 특성

 

 

 

리튬 이온 전지 구성 요소 : 양극재, 음극재, 전해질, 분리막

 

출처 : A review of lithium-ion battery capacity estimation methods for onboard battery management systems: recent progress and perspectives

 

🏁 각 소재의 역할

• 양극재 (cathode) : 리튬 배터리에서 리튬의 공급원, 배터리의 용량과 평균 전압 결정 ⭐
• 음극재 (anode) : 양극에서 빠져나온 리튬 이온의 저장소
• 전해질 (electrolyte) : 리튬 이온을 양극에서 음극까지 전달하는 매개체
• 분리막 (separator) : 양극재와 음극재의 물리적 접촉을 차단하는 막, 분리막을 뚫고 양극재와 음극재가 결합하는 현상을 Internal short circuit이라 함

 

🏁 양극재 소재에 따른 배터리 특성

일반적으로 리튬(L), 니켈(N), 코발트(C), 망간(M) 등을 조합하여 구성

구성 조합의 비율에 따라 배터리의 성능, 안전성, 에너지 밀도, 수명 등에 중요한 영향 미침

 

 

 

1. LFP (Lithium Iron Phosphate)

리튬 철 인산염을 기반으로 한 소재, 낮은 에너지 밀도를 가지지만 높은 안전성과 긴 수명 가짐.

• 장점
  • 안정성: 니켈이 들어가지 않아 열 안정성이 우수하여 과열 및 과충전에 강함.
  • 비용 효율성: 코발트를 사용하지 않아 상대적으로 저렴한 가격으로 생산 가능.
  • 긴 수명: 충방전 사이클이 길어 내구성 좋음.
• 단점
  • 낮은 에너지 밀도: 상대적으로 에너지 밀도 낮음. (90~140 Wh/kg)
  • 큰 부피 변화: charge, discharge 마다 particle의 부피 변화가 큼.
    ( charging 시, LFP 입자 약 6.77% 팽창, discharging시 graphite 부피 약 12% 변함)
  • 저온 성능 부족 : 저온 환경에서 성능 저하 뚜렷함.

 

 

2. NCM (Nickel Cobalt Manganese Oxide)

니켈, 코발트, 망간이 결합된 소재, 높은 에너지 밀도를 가짐.

• 장점
  • 높은 에너지 밀도: 니켈의 함량이 80% 이상으로 에너지 밀도 높음. (140~250 Wh/kg)
  • 긴 수명: NCM배터리가 NCA배터리 보다 수명 김.
• 단점
  • 안정성 부족: LFP에 비해 안정성 낮음. 과열시 안정성 문제 발생할 수 있음.
  • 큰 부피 변화: Cycle이 반복될 수록 부피 변화 큼. (10cycle 이후 부피 변화 13.5μm)
  • 비용 효율성 부족: 코발트의 가격이 높고, 공급망에 제약이 있음.

 

 

3. NCA (Nickel Cobalt Aluminum Oxide)

니켈, 코발트, 알루미늄 기반 소재, 높은 에너지 밀도를 제공하지만, 열 안정성 낮음.

• 장점
  • 높은 에너지 밀도: 니켈의 함량이 80% 이상으로 에너지 밀도가 높음. (140~250 Wh/kg)
  • 고출력: 알루미늄으로 출력을 높여 배터리의 효율성 높음. 빠른 충전 및 방전 성능.
• 단점
  • 안정성 부족: 순간적으로 강한 에너지를 내는 만큼 불안정함. 폭발 위험 있음.
  • 비용 효율성 부족: 코발트의 가격이 높고, 공급망에 제약 있음.

 

 

4. LCO (Lithium Cobalt Oxide)

리튬 코발트 산화물, 초기 리튬 이온 배터리에 사용됨

• 장점
  • 높은 에너지 밀도: 소형 전자기기에 적합.
  • 안정된 방전: 방전시 전압이 일정하게 유지됨.
• 단점
  • 짧은 수명: 충방전 사이클 수명 짧음.
  • 안정성 부족: 열 안정성이 낮고, 과 충전시 폭발 위험 있음.
  • 비용 효율성 부족: 코발트의 가격이 높고, 공급망에 제약 있음.

 

 

5. LTO (Lithium Titanate Oxide)

리튬 타이타네이트 기반 음극재, 높은 안정성과 긴 수명.

• 장점
  • 안정성: 과충전, 과방전에 대한 안정성 좋음.
  • 긴 수명: 충방전 사이클 수명 김.
  • 빠른 충전: 고속 충전이 가능하며, 저온 성능 우수함.
• 단점
  • 낮은 에너지 밀도: LTO 음극을 사용한 배터리는 상대적으로 용량 작음.
  • 비용: 제조 비용 높음.
  • 전압 제한: 출력 전압이 낮아 일부 애플리케이션에 적합하지 않음.

 

 

 

🏁 요약

소재	장점	단점	주요 사용처
LFP	안정성, 긴 수명, 저비용	낮은 에너지 밀도, 저온 성능 부족	ESS, 저가형 자동차
NCM	높은 에너지 밀도, 균형 잡힌 성능	비용 부담, 안정성 문제	전기차, 고성능 장치
NCA	에너지 밀도, 고출력, 긴 수명	안정성 부족, 비용 상승	고성능 전기차 (테슬라)
LCO	높은 에너지 밀도, 안정된 전압	짧은 수면, 안정성 문제	소형 전자기기
LTO	안정성, 긴 수명, 빠른 충전	낮은 에너지 밀도, 비용	산업용 ESS

 

 

 

 

 

Reference

• Peng, Jichang, et al. "A review of lithium-ion battery capacity estimation methods for onboard battery management systems: recent progress and perspectives." Batteries 8.11 (2022): 229.
• https://www.econovill.com/news/articleView.html?idxno=350376

배터리 용량을 늘려라...NCA 양극재는 무엇? - 이코노믹리뷰