전기차 배터리의 핵심, 리튬과 양극재·음극재를 알면 미래가 보인다

전기차 시장은 이미 대세가 되었습니다. 자동차의 심장이 엔진에서 배터리로 바뀌면서, 그 중심에는 리튬이온 배터리와 이를 구성하는 ‘양극재’와 ‘음극재’가 있습니다.

 

하지만 많은 분들이 여전히 이 소재들이 어떤 역할을 하는지, 왜 중요한지를 정확히 모르고 계시더군요. 오늘은 블로그 전문가의 관점에서 리튬 전기차 배터리의 핵심 구조를 쉽고 명확하게 풀어보겠습니다.

 

전기차 배터리의 핵심, 리튬과 양극재·음극재를 알면 미래가 보인다

리튬이온 배터리, 전기차의 심장을 이루다

전기차에 탑재되는 대부분의 배터리는 리튬이온 배터리입니다. 리튬이온 배터리는 충전과 방전을 반복할 수 있는 2차전지로, 가볍고 에너지 밀도가 높아 전기차에 최적화되어 있죠.

이 배터리는 네 가지 핵심 구성요소로 이루어져 있습니다:

• 양극재 (Cathode)
• 음극재 (Anode)
• 전해질
• 분리막

이 중에서도 양극재와 음극재는 전기차의 성능과 수명을 결정짓는 핵심 재료입니다.

 

리튬의 중요성: 미래 자원 전쟁의 핵심

배터리의 중심에는 '리튬'이 있습니다. 리튬은 양극재 안에 포함되어 있으며, 충전과 방전 시 리튬이온의 이동을 통해 에너지를 저장하고 내보냅니다.

 

전 세계는 지금 ‘리튬 확보 전쟁’ 중입니다. 그만큼 리튬은 희소성과 산업적 중요성을 동시에 지닌 자원이죠. 이 때문에 배터리 기업들은 리튬 광산 확보에 투자하고, 대체 소재나 재활용 기술도 함께 개발 중입니다.

 

요즘 전기차 시장이 점차 확대되면서 전기차의 동력원인 리튬이온 배터리에 대해서 관심이 많아지고 있습니다. 전기차 배터리에 주로 사용되는 전지는 리튬이온 배터리입니다. 아래 그림에 보면 산화가 가장 되기 쉬운 금속 제일 상단에 리튬이 있습니다...

 

리튬이 전기차 배터리 소재로 선택된 건 이온화 경향이 가장 높은 금속이기 때문입니다. 이온화 경향이 큰 금속일수록 공기 중 산소와 결합해 쉽게 산화합니다.

 

이온화 경향이란 용액 속에 원소(금속)의 이온이 되기 쉬움을 나타냅니다. 이온화란 모든 원자들은 음(-)과 양(+) 이 균형을 이루는 중성 상태인데 이것을 외부에 의해 +, - 로 분리가 되는 것을 말합니다.

 

 

리튬은 금속 중에서 가장 가볍고 고체 원소 중에서는 밀도가 가장 낮고 물, 산소와 잘 반응하며 높은 에너지 밀도를 가지고 있기 때문에 2차 전지 양극 물질로 이용하는 것입니다. 2차 전지는 방전 후에도 다시 충전해 반복 사용 가능한 배터리를 말합니다.

 

리튬 산화도

 

순수한 리튬은 물, 공기와도 반응할 정도로 폭발 위험이 높아 배터리로 쓰기엔 위험합니다. 반면 산화 금속 상태의 리튬은 안정적이라는 특징이 있습니다. 리튬이온 배터리는 음극, 양극, 전해액, 분리막으로 구성됩니다.

 

리튬이 이온화한 뒤 떨어져 나온 전자는 내부 도선을 통해 전압을 발생시키고 리튬이온은 전해질을 통해 음극과 양극을 오가는 원리입니다.

리튬이온 배터리의 4대 요소_삼성SDI 발췌

 

리튬이온이 음극으로 가는 과정이 충전, 양극으로 돌아오는 과정이 방전입니다. 분리막은 양극과 음극이 접촉해 합선으로 화재가 발생할 수 있는 걸 막습니다. 분리막에는 리튬이온만 오갈 수 있는 미세한 구멍이 뚫려 있습니다.

양극재: 배터리 용량과 안정성을 좌우하는 핵심 소재

양극재는 리튬이온이 이동하는 출발점으로, 배터리가 에너지를 얼마나 저장할 수 있는지를 결정짓습니다. 쉽게 말해 전기차의 ‘주행거리’와 밀접한 연관이 있죠.

양극재는 다음과 같은 종류로 나뉩니다:

• NCM (니켈·코발트·망간): 가장 널리 사용되는 소재로, 에너지 밀도가 높고 균형 잡힌 성능을 자랑합니다.
• NCA (니켈·코발트·알루미늄): 테슬라가 주로 사용하는 소재로, 고출력과 고에너지 밀도가 특징입니다.
• LFP (리튬 인산철): 안정성은 뛰어나지만 에너지 밀도가 낮아 저가형 모델이나 상온 환경에서 주로 사용됩니다.

요즘은 코발트 비중을 줄이고 니켈 비중을 높인 고니켈 양극재가 주목받고 있습니다. 원가 부담을 줄이고, 윤리적 문제(코발트 채굴)까지 해결하려는 시도이죠.

 

양극재는 리튬 배터리의 + 극을 만드는 소재입니다. 리튬이온 소스로 배터리의 용량과 평균 전압을 결정하게 됩니다. 리튬과 산소가 만나서 리튬 산화물이 되고 충전 시에 양극에서 리튬이온이 빠져나와 음극으로 이동하고 방전 시에는 리튬이온이 다시 양극으로 돌아갑니다.

양극재는 NCM, NCA, LCO, LFP 등의 종류가 있습니다. NCM 은 니켈, 코발트, 망간 으로 이루어진 소재이며 NCA는 니켈, 코발트, 알루미늄으로 된 소재입니다. 공통적으로 니켈이 들어가게 되는데 에너지 밀도가 높아 같은 크기로 배터리를 만들었을 때 더 많은 전기에너지를 낼 수가 있는 장점이 있습니다.

 

미국의 테슬라는 NCA 양극재 배터리를 사용하고 대부분의 전기차 업체들은 NCM 양극재 배터리를 사용하고 있습니다. 단점은 니켈의 불안정성으로 에너지 밀도는 높지만 아주 불안정한 물질이라 배터리 화재 사고의 원인이 될 수 있습니다. 이 단점을 개선하기 위한 적은 양의 니켈로 만들어진 LFP 배터리가 있으나 에너지 밀도가 비교적 낮아 부피를 크게 만들어야 합니다.

 

LCO 배터리는 에너지 밀도도 높고 니켈이 함유되지 않지만 희토류에 속하는 코발트를 다량 사용해야 하기 때문에 가격적인 부담이 높은 소재입니다. 국내 업체들 LG 화학, 삼성 SDI, SK이노베이션 에서는 니켈의 제어를 통해 안정성을 높여서 에너지 밀도가 크고 저렴한 NCM 소재를 선호하여 사업성을 높이고 있습니다. 양극재 소재 최대 국내 업체는 에코프로비엠 입니다

음극재: 배터리 수명과 충전속도의 열쇠

음극재는 리튬이온이 도착하는 공간으로, 배터리의 수명과 충전 속도에 직접적인 영향을 미칩니다.

 

가장 많이 쓰이는 음극재는 바로 흑연입니다. 안정적이고 제조비용도 낮아 대부분의 배터리에 사용되고 있죠. 하지만 흑연은 한계가 분명합니다. 더 빠르게, 더 오래 쓰는 배터리를 만들기 위해 ‘차세대 음극재’로 실리콘 음극재가 주목받고 있습니다

 

실리콘은 흑연보다 10배 이상의 리튬 저장 용량을 가지고 있습니다. 하지만 충방전 시 부피가 팽창하는 단점이 있어, 이를 보완하기 위한 다양한 기술개발이 진행 중입니다.

 

음극재는 리튬 배터리의 - 극을 만드는 소재입니다.. 양극에서 나온 리튬을 저장했다가 방출하면서 전기를 발생시키는 역할을 하는 소재입니다. 리튬 이온 배터리의 양극이 리튬이온을 보냈을 때 이를 받아들이는 음극 구조가 무너지면 수명이 단축됩니다.

 

음극재의 소재는 흑연입니다. 오랜 시간 리튬이온이 음극재인 흑연에 오가면 흑연의 부피가 팽창, 수축하게 되고 흑연 구조자체가 변하게 되어 결국은 망가져서 못쓰게 되는 경우가 발생합니다.

 

천연 흑연에서 인조 흑연 최근에는 에너지를 더 많이 저장할 수 있는 실리콘(Si) 소재도 섞어 사용하는 추세입니다. 단점은 팽창이 크기 때문에 코팅 기술로 팽창을 최소화해야 하는 숙제를 안고 있습니다..국내 업체로는 포스코캠텍이 있습니다

전기차 시스템

전기차가 움직이기 위해서는 스마트폰의 수천 배에 해당하는 엄청난 전력이 필요합니다. 전기차의 배터리에는 셀-모듈-팩이라는 조립 단계를 거친 팩 배터리가 들어가게 됩니다.

 

셀은 배터리의 기본단위로 양극과 음극, 분리막, 전해액을 알루미늄 케이스에 넣어 만듭니다. 이 셀을 외부 충격과 영, 진동으로 부터 보호하기 위해 일정한 개수만큼 묶어 틀에 넣은 조립체가 모듈입니다.

 

 

배터리 모듈에 배터리 관리시스템을 비롯한 냉각 시스템과 각종 제어장치 등을 장착해 만든 최종 단계가 팩이 됩니다. 배터리 관리시스템(BMS) 은 수많은 배터리 셀의 온도, 충전상태, 전압 등을 감시 관리하는 역할을 합니다.

셀(Cell)-모듈(Module) - 팩 (Pack)_삼성SDI 발췌

BMW i3 하부에 탑재된 배터리 팩(모듈8개, 셀96개)_삼성SDI 발췌

 

고체 전해질

리튬이온 배터리는 여러 보호, 차단, 제어, 시스템을 적용해도 불안정한 부분이 있습니다. 온도 변화로 인한 배터리 팽창, 외부 충격에 의한 누액 등으로 폭발 위험까지 존재하는 태생적인 단점이 있습니다.

 

이 불안정성을 어느 정도 보완하는 것은 리튬 폴리머 배터리입니다. 폴리머 (고체 또는 젤) 상태의 전해질을 사용하여 안정성을 높였지만 제조공정이 복잡하고 가격이 비싸며 전도율이 떨어집니다. 전도율이 떨어진다는 건 전기가 잘 통과 못한다는 것이며 저온에서도 사용 특성이 떨어집니다.

 

궁극적으로는 차량에 들어가는 부피(고용량 에너지), 안정성, 효율 등을 모두 보완 가능한 것은 " 전고체 배터리 "입니다. 전해질이 액체가 아닌 고체 상태이기 때문에 안정성이 뛰어나고 액체 상태의 전해질에 적용했던 부품들이 줄어들어 부피가 감소하여 높은 용량의 배터리팩을 적용 가능합니다. 하지만 아직은 상용화가 되지 않은 개발 초기 상태라고 합니다...

전고체 배터리_삼성SDI

 

마무리 : 배터리 소재를 이해해야 전기차가 보인다

전기차의 성능, 충전속도, 안전성까지… 이 모든 것이 배터리 그리고 배터리 소재인 양극재와 음극재에 달려 있습니다. 앞으로 전기차 시장이 성장할수록 이 두 소재의 기술력은 기업의 경쟁력을 좌우하는 요소가 될 것입니다.

 

리튬은 더 이상 단순한 원소가 아닌, 산업과 기술, 미래를 움직이는 핵심 자원입니다. 이제는 소비자도 전기차를 고를 때 '배터리 소재가 뭔가요?'라고 질문할 수 있어야 할 시점입니다.