[배터리 이모저모] 3. 음극 소재

저번에 양극소재를 알아본 것에 이어서 배터리의 음극 소재를 알아보도록 하겠습니다! 

 

배터리에서 양극재가 '용량'과 '전압'을 결정하는 핵심 소재라면, 음극재는 '충전 속도'와 '배터리 수명', '배터리 안정성'에 직접적인 영향을 미치는 중요한 역할을 한다. 특히 전기차 배터리에서는 주행거리, 충전 속도, 안전성이 핵심 경쟁력인데, 이를 뒷받침하는 것이 바로 음극 소재이다.

 

출처 : Generated by ChatGPT using OpenAI's DALL·E model

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1️⃣ 음극 소재의 역할

음극은 충전 시 리튬 이온을 저장하고, 방전 시 방출하면서 전기를 흐르게 한다.

이 과정에서 음극 소재의 구조와 특성은 충전 속도, 수명, 전지의 안정성에 결정적인 영향을 미친다.

 

현재 가장 널리 사용되는 음극 소재는 흑연(Graphite)이다. 하지만 한계를 넘기 위해 규소(Si)와 LTO(Lithium Titanate) 등 다양한 차세대 소재가 연구되고 있다.

 

2️⃣ 흑연 음극: 천연 vs. 인조

흑연은 층상 구조를 가지며, 여섯 개의 탄소 원자가 육각형 벌집 구조를 형성한다. 이 구조의 중심에서 리튬 원자가 하나씩 결합한다. (탄소원자 6개+ 리튬 원자 1개)

🔸 천연 흑연 (Natural Graphite)

• 장점: 자연에서 채굴되므로 가격 저렴
• 단점: 입자가 불규칙 → 전지 성능 최적화 위해 추가 가공 필요
• 보완 기술: 비드밀(Beads Mill) 공정 + 카본 코팅, SBR 바인더 적용

🔸 인조 흑연 (Artificial Graphite)

• 장점: 구조적 안정성 우수, 고온 열처리(3000℃ 이상)로 결정성이 높음
• 단점: 제조 공정 복잡 → 비용 증가

📌 소프트 카본 vs 하드 카본

구분	소프트 카본	하드 카본
흑연화 가능	가능 (고온 열처리 시 흑연으로 변함)	불가능 (비정질 구조)
리튬 저장 방식	층 사이에 저장 (intercalation)	기공과 결함에 저장
용량	약 372 mAh/g (흑연과 유사)	약 500 mAh/g 이상 (흑연보다 높은 용량)
급속 충전	보통	우수
사용 분야	일반적인 리튬이온 배터리 (EV, ESS 등)	전기차(EV), 하이브리드 배터리, 급속 충전용 배터리

하드 카본은 비정질 구조로 급속 충전에 적합하며, LTO와 혼합하여 사용되기도 한다.

 

3️⃣ 차세대 음극 소재

흑연의 한계를 극복하기 위해 다양한 차세대 음극 소재가 연구되고 있다.

🔸 규소(Si) 음극

• 장점: 급속 충전 가능, 자원 풍부, 에너지 밀도 높음 (이론 용량: 흑연(372 mAh/g)의 약 10배 → 4000 mAh/g)
• 단점: 충·방전 시 300~400%의 부피 변화 발생 (흑연의 부피 변화 12%)  → 전극 균열 및 성능 저하
• 특징: 규소의 원자 충진율이 34%로 낮음 → 빈공간이 많은 결정 구조, Open Structure 형태
           ( 충방전시 부피 변화가 큰 것도 규소의 Open Structure와 관련 있음 )
• 해결 방법:
  • 규소를 나노 크기로 가공해 흑연과 혼합 (ex. 삼성SDI의 SCN(Silicon Carbon Nanoparticle) 기술)
  • 산화규소(SiOx) 기반 음극 개발 (ex. LG 에너지 솔루션)

🔸 LTO (Li₄Ti₅O₁₂) 음극

• 장점:
  • spinel 구조를 가져 충·방전 시 부피 변화 없음 (무변형 구조)
  • 나노 크기로 제작하면 비표면적이 커져 급속 충전 가능
  • 긴 수명, 높은 안정성
• 단점:
  • 낮은 전압(2.3V) → 에너지 밀도 낮음
  • 전해액과 반응하여 가스 발생할 수 있음(배터리 swelling 현상).
• 보완 기술: 나노 분말 제작 + 카본 코팅 / SEI층 형성

 

4️⃣ 바인더의 역할

바인더는 전극 내에서 흑연·규소 등의 활물질(Active Material)을 도전재(Conductive Additive)와 집전체(Current Collector)에 결합시켜 고정하고, 충·방전 과정에서 발생하는 팽창과 화학 반응을 견디며 전극 구조를 안정화하는 접착제 역할을 한다.

구분	대표적인 바인더 종류	특징
유기계	PVDF  (Polyvinylidene Fluoride)	- NMP(N-Methyl-2-pyrrolidone) 용매 사용 - 접착력이 강하고 내화학성이 우수 - 리튬이온 배터리에서 가장 일반적으로 사용됨
수계	SBR+CMC (Styrene-Butadiene Rubber + Carboxymethyl Cellulose)	- 물(H₂O)을 용매로 사용하여 친환경적 - 천연흑연, LTO 등의 음극 소재에 주로 사용 - 비용 저렴, 바인더 자체가 유연하여 물리적 변형을 견딜 수 있음
고무계	PAA (Polyacrylic Acid)	- 규소 음극에 주로 사용 - 높은 신축성을 가져서 규소의 부피 팽창 문제 해결
도전성	PEDOT:PSS (Poly(3,4-ethylenedioxythiophene) polystyrene sulfonate)	- 전도성이 높아 전자 이동을 원활하게 함 - 차세대 배터리 연구에서 사용

 

🔸양극과 음극의 바인더 비교

• 양극과 음극의 소재 특성이 다르기 때문에 바인더의 요구 조건이 다르다.
  • 음극에서는 부피 변화 완화 및 전해액 반응 방지가 주요 역할
  • 양극에서는 고전압 환경에서 안정성 유지가 주요 역할

	음극 바인더	양극 바인더
활물질	흑연, 규소, LTO	리튬 금속 산화물 (NCM, NCA, LFP 등)
요구되는 특성	- 큰 부피 변화에 대한 유연성 필요 (특히 규소) - SEI층 형성을 돕고 전해액과의 반응 방지	- 산화 환경에서도 안정적이어야 함 - 높은 전압에서도 분해되지 않아야 함
대표적인 바인더	PVDF, SBR+CMC, PAA	PVDF (가장 일반적)

 

• 양극 소재는 부피 변화가 크지 않기 때문에 일반적으로 바인더의 역할이 상대적으로 적음.
• 하지만, 높은 전압에서도 안정적으로 유지되어야 하기 때문에 보통 PVDF 바인더가 사용됨

 

5️⃣ 음극 집전체: 동박(Copper Foil)

음극에서 활물질을 지지하는 역할을 하는 집전체(Curren Collector)는 보통 동박으로 구성된다.

제조 방식에 따라 압연동박(Rolled Copper Foil)과 전해동박(Electrolytic Copper Foil)으로 구분한다.\

 

	압연동박	전해동박
제조과정	고품질의 전기동을 녹여 주조. 열간 압연 → 냉간 압연 → 정밀 압연 과정으로 얇게 만듦.	동 스크랩을 황산에 녹여 황산구리(CuSO₄) 용액을 만듦. 전기분해 과정을 거쳐 얇은 동막 형성.
장점	기계적 강도 우수, 내구성 우수	공정 간단, 가격 저렴
단점	가격 비쌈, 제조 공정 복잡	표면 조도 제어 필요 (첨가제 활용하여 표면 조도와 입자 성장 제어)

 

➡ 전해동박은 최근 다양한 첨가제 기술을 통해 품질을 개선하며, 고성능-저비용 대안으로 주목받고 있음. 

 

 

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현재 상용화된 음극 소재는 흑연이 주류를 이루지만, 전기차의 긴 주행거리와 초고속 충전을 실현하기 위해서는 차세대 음극 소재의 도입이 필수적이다.

소재	장점	단점
흑연	안정적, 상용화 완료	한계 용량 존재
규소(Si)	고용량, 충전 속도 빠름	부피 팽창 문제
LTO	급속 충전, 안정성 우수	낮은 에너지 밀도

 

▶️  궁극적으로는 소재뿐만 아니라 집전체·바인더·공정 기술의 혁신이 함께 이루어져야 배터리의 성능을 근본적으로 끌어올릴 수 있다.