리튬-이온 전지

Lithium-ion battery. 종종 줄여서 Li-ion으로 쓴다.

이차전지의 일종으로 전자가 떨어져 나가서 + 이온화된 리튬을 이용해서 전기를 발생시키는 배터리. 양극에 리튬산화물을 사용하며, 충전이 될 때, 즉 외부에서 전자를 음극 쪽으로 옮기면 리튬 이온은 내부에서 전해질을 타고 음극으로 옮겨 가며, 전자도 음극으로 몰린다. 반대로 방전이 일어날 때에는 리튬 이온은 음극에서 양극으로 옮겨 가며 전자는 외부 회로를 타고 양극으로 이동한다.

1991년에 일본 소니가 상용화에 성공한 이래로 높은 에너지 밀도를 무기로 주류로 빠르게 안착했다. 우리가 흔히 쓰는 건전지 대체 충전지는 니켈-수소 전지가 대세지만 스마트폰을 비롯한 온갖 모바일 기기는 물론 전기자동차, ESS에도 리튬-이온, 또는 전해액을 겔 형태로 만들어 안정성을 높인 리튬-폴리머 전지가 대세를 차지하고 있다. 특히 전기자동차가 대세가 되고 ESS 수요도 늘면서 시장 규모가 급속도로 커지고 있다. 대안으로 리튱-황 전지, 리튬-메탈 전지, 궁극적으로는 리튬-공기 전지까지도 보고 있지만 상용화까지는 갈길이 먼 게 현실이다.

장점

• 출력 : 전기자동차나 ESS와 같은 대용량 고출력이 필요한 곳에서 리튬-이온 전지를 쓸 수밖에 없는 이유. 출력이 뛰어나며 충전 역시도 빠르게 된다. 지금 전기자동차도 충전에 시간이 오래 걸린다는 불만들이 많은데, 그나마 리튬-이온 전지니까 그 정도 속도가 나온다.
• 전압 : 니켈-카드뮴, 니켈-수소 전지와 같이 기존에 많이 쓰였던 이차전지는 명목 전압이 1.2V, 납 축전지는 2V인데 반해 리튬-이온 전지는 3.6V다. 필요한 전압을 만들기 위해 직렬 연결해야 하는 셀의 수가 다른 이차전지보다 적으므로 효율이 더 좋다.
• 안정된 방전 특성 : 충전된 배터리를 회로에 연결해서 에너지를 사용하면 전압이 처음보다 조금씩 낮아진다. 이 전압이 회로에 물려 있는 기기가 일을 하기 위해 필요한 최소 전압 이하로 떨어지면 작동을 멈춘다. 그런데 리튬-이온 전지는 방전될 때까지 전압이 떨어지는 추이가 아주 안정적이다. 완전 충전 상태에서 충전량이 90%까지 내려올 때까지는 전압 감소폭이 좀 크치만 그 이후부터 20% 이하로 내려가기 전까지는 거의 변화가 없다고 봐도 좋을 정도로 방전 때 전압곡선이 안정적이다.
• 낮은 자체방전 비율 : 배터리는 충전한 후에 사용하지 않아도 조금씩 방전된다. 니켈-수소나 니켈-카드뮴 전지는 한 달이 지나면 20% 정도 손실이 발생한다. 그러나 리튬-이온 전지는 첫 4시간 동안 5% 정도가 방전된 이후로는 한 달에 1~2% 정도만 방전된다. 다만 에네루프와 같은 니켈-수소 전지는 자체방전 특성을 많이 개선해서 1년이 지나도 80% 정도의 에너지가 남아 있다고 광고를 하고 있다.
• 메모리 효과 없음 : 충분하게 방전이 안 된 전지를 충전하면 실제 용량이 줄어드는 결과를 낳는 메모리 효과가 없으므로 자주 자주 충전해 줘도 수명에 영향을 미치지 않는다. 오히려 단점 부분에 나오는 것처럼 너무 방전이 많이 되면 수명을 단축시키는 원인이 된다.
• 환경오염 : 자동차에 많이 쓰였던 납축전지는 당연히 납이 문제이고, 여기에 전해액으로는 다량의 황산을 사용한다. 니켈-카드뮴 전지에 들어가는 카드뮴은 이타이이타이병의 원인이다. 리튬도 왠지 위험한 물질 아닐까 싶을 수도 있지만 리튬은 정신질환의 일종인 조증의 치료약으로도 쓰이기 때문에 카드뮴보다는 상대적으로 인체에 해가 적다. 최근에는 알츠하이머성 치매에 효과가 있는 것으로 알려져서 연구가 진행되고 있다. 다만 이는 알츠하이머병의 원인으로 알려진 물질이 쌓이는 것을 막아주는 것이지 이미 진행된 치매를 되돌리는 것은 아니다. 그러나 리튬-이온 전지도 수명이 다하면 폐기해야 하므로 각종 소재의 환경오염 문제는 남는다. 리튬-이온 전지의 수요가 폭발적으로 늘면서 폐배터리에서 소재를 추출해서 재가공하는 기술도 활발하게 개발하고 있는 추세다.

단점

• 가격 : 리튬은 니켈보다 훨씬 비싼 원소다. 여기에 망간, 코발트와 같은 소재도 필요하기 때문에 니켈 계열보다 가격이 비쌀 수밖에 없다. 특히 코발트는 가장 비싼 소재이기도 하지만 전 세계 매장량의 절반이 콩고에 몰려 있고 이를 둘러싼 내전이 심각한지라 어떻게든 코발트 소재를 퇴출시키려는 움직임이 강하게 불고 있다. 최근에는 양극재에 니켈 함량을 높이고 망간이나 코발트는 줄이는 하이니켈 배터리 기술이 빠르게 발전하고 있지만 그래도 리튬이 안 들어가는 것은 아니므로 비싼 것은 어쩔 수가 없다.
• 과충전 및 과방전 때 수명단축 : 에너지 용량의 100%을 채워서 충전시키면 충방전 수명이 떨어진다. 수명을 최대한 늘리기 위해서는 80%까지만 충전하는 게 가장 좋다. 요즈음 기기들은 배터리의 충전량이 기준치에 도달하면 자동으로 충전을 통제하도록 하고 있다. 반대로 저장된 에너지를 끝까지 뽑아 써도 충방전 수명을 단축시키는 원인이 된다. 될 수 있으면 50% 이하로 안 떨어지게 하는 게 좋지만 이러면 높은 에너지 밀도가 의미가 없다. 20% 밑으로 떨어지면 수명이 대폭 하락한다. 메모리 효과가 없으므로 충전할 수 있을 때 자주 자주 충전해 주는 게 가장 좋다.
• 화재 및 폭발 위험 : 온도가 올라가면 열폭주 현상으로 화재나 폭발을 일으킬 위험이 올라가며, 다른 이차전지보다 이러한 위험성이 높다. 음극에 리튬 결정이 맺히고 이게 핵이 되어 나뭇가지처럼 뾰족한 결정이 만들어지는 리튬 덴드라이트도 위험 요소다. 항공사들이 다른 이차전지는 몰라도 리튬-이온 전지에 관해서는 수하물로 보낼 수 없도록 금지한다든가, 국제우편으로 부치지 못하게 한다든가 하는 이유도 다른 이차전지에 비해서 이러한 위험이 높기 때문이다. 에너지 밀도를 높이기 위해서는 양극재에서 니켈의 함량을 높여야 하는데 니켈이 리튬보다는 낫지만 불안정한 원소이기 때문에 위험도가 올라간다. 위험을 줄이기 위해 전고체 배터리와 같은 기술들을 연구하고 있지만 아직 갈길이 멀다.

주요 구성 요소

리튬-이온 전지의 4대 구성요소는 다음과 같다.

양극재

Anode.

양극을 구성하는 물질로, 배터리 원가에서 가장 큰 비중을 차지한다. 배터리의 용량과 출력은 사실상 양극재에 따라 결정된다. 실제로 양극의 기능을 하는 소재인 활물질로는 당연히 리튬을 사용하지만 리튬을 그냥 쓰면 안정성이 좋지 않기 때문에 리튬 산화물을 사용하는데, 리튬 산화물의 전기 전도성이 좋지 않기 때문에 전도성을 높이는 도전재, 그리고 접착제 구실을 하는 바인더를 섞어서 걸쭉한 슬러리 상태를 만든 다음 알루미늄박(포일)에 고르게 발라서 건조시킨다. 이러면 얇은 판 모양이 되는 셈인데, 따라서 이를 양극판이라고 부른다.

양극재, 그 중에서도 활물질은 배터리의 성능을 결정하는 가장 중요한 요소이므로 다양한 활물질이 개발되고 있다. 리튬을 제외한 물질로는 초창기에는 안정성 문제로 코발트의 함량이 높았지만 가격이 워낙이 비싸기도 하고 에너지 밀도를 높이기 위한 기술경쟁이 치열해지면서 지금은 니켈이 중심이 되고 있다. 참고로 양극 활물질의 이름은 각 글자가 여기에 들어가는 들어가는 원소를 뜻한다.

• LCO : 리튬(L) 코발트(C) 산화물(O)을 뜻하며, 에너지 밀도가 높은 편이고 니켈을 사용하지 않으므로 안정성도 우수하다. 문제는 코발트가 너무 비싸다는 것. 매장량이 많지 않기 때문에 니켈과 비교하면 가격이 두 배가 넘는 데다가 가격 변동성도 심하다.
• LPF : 리튬(L) 인산(P) 철(F). 니켈이 안 들어가므로 안정성도 높고, 가격이 싼 철을 사용하므로 원가 절감에 도움이 되지만 무겁고 에너지 밀도가 낮다는 것이 단점이다. 주로 중국의 전기자동차에서 LPF를 많이 쓰고 있지만 결국 이쪽도 주행거리 같은 문제의 소비자 요구가 점점 늘어나기 때문에 서서히 니켈 계열로 이동하는 모습을 보이고 있다.
• NCM : 니켈(N) 코발트(C) 망간(M). 원래는 LNCM이라고 써야겠지만 니켈계 활물질은 리튬을 생략한다. 지금 활물질로는 가장 널리 쓰이고 있다. 니켈은 가격이 싸고 에너지 밀도가 높기 때문에 주류를 이루고 있다. 다만 니켈이 불안정한 원소라서 화재나 폭발 위험이 올라가는 게 단점이며, 이를 어떻게 잘 통제하느냐나 관건이다. NCM 뒤에 세 자리 숫자가 붙는 것을 종종 볼 수 있는데, 이는 세 가지 원소가 각각 어느 정도 비율로 들어 있는지를 뜻하는 표현이다. 예를 들어 LCM523이라면 L:C:M = 5:2:3이라는 뜻으로, 합이 10이 되도록 적는다. 현재는 니켈 함량이 50~60% 정도 수준이지만 80%가 넘어나면 하이-니켈 배터리라고 하는데, 최근 들어 즉 NCM811을 사용한 배터리가 조금씩 시장에 모습을 보이고 있다. 업계에서는 궁극적으로는 90%까지 올리는 것을 목표로 하고 있다. 대다수 전기자동차 회사들이 이 방식을 채택하고 있다. 하이니켈에 알루미늄을 약간 첨가한 NCMA 배터리도 개발하고 있다.
• NCA : 니켈(N) 코발트(C) 알루미늄(A). 망간 대신 알루미늄이 들어가며, 출력 특성이 우수하지만 안정성 면에서는 NCM보다는 조금 떨어진다. NCM과 마찬가지로 니켈의 함량을 늘리는 것이 관건이다. 테슬라가 이 방식을 채택하고 있으며, NCA 기반 전지를 양산할 수 있는 곳은 현재 테슬라 주요 공급차인 일본의 파나소닉, 그리고 한국의 삼성SDI 두 곳 뿐이다.

음극재

Cathode.

음극을 구성하는 물질로 양극재와 비슷하게 활물질, 도전체, 바인더를 섞어 슬러리를 만든 다음 구리박에 고르게 발라서 건조시키면 음극판이 만들어진다. 음극재는 충전 때 양극에서 나온 리튬 이온을 잘 잡아놨다가 방전 때 풀어주는 구실을 한다. 음극재의 활물질로 가장 널리 쓰이는 물질은 흑연이다. 리튬 이온도 많이 저장할 수 있고 가격도 저렴하므로 널리 쓰이고 있는데, 흑연은 다시 천연흑연과 인조흑연으로 나뉘며, 인조흑연은 성능을 향상시키기 위해 천연흑연에 고열을 가해서 고결정 구조를 만드는 것으로, 조직의 안정성이나 수명에서 더욱 좋다.

흑연을 대체할 물질로는 탄소 나노 튜브를 열심히 연구하고 있으며, 실리콘계 음극재도 기술 개발이 활발하다. 리튬 이온 저장 용량은 실리콘이 흑연에 비해 10배나 높다는 장점이 있지만 온도에 따른 팽창-수축 정도가 심하며 전기 전도성도 떨어진다. 현재는 흑연을 주 재료로 하고 실리콘을 미량 첨가하는 정도로 사용하고 있는데, 실리콘을 나노 입자화 시켜서 팽창을 억제하는 기술을 한창 연구하고 있다.

전해액

Electrolyte.

양극과 음극 사이를 채우는 물질로, 리튬 이온은 이 전해액을 타고 양극과 음극을 오갈 수 있다. 리튬 이온이 헤엄을 쳐서 다닐 수 있는 풀장과도 같은 구실을 하는 것. 전해액에게 필요한 특성 중 중요한 것은 리튬 이온만이 오갈 수 있어야 하며, 전자는 오갈 수 없어야 한다. 전자가 전해액을 타고 이동할 수 없으므로 외부 회로를 통해 나갈 수밖에 없으며, 그래서 전기 에너지가 발생한다. 또한 점성이 낮아야 이온이 헤엄치고 다니기 좋으며, 리튬 이온 말고 전지의 다른 구성요소와는 반응하지 않아야 한다. 전해액의 구성요소로는 염, 염을 녹이기 위한 용매, 그리고 성능을 향상시키고 안정성을 높이기 위한 첨가물로 구성된다. 염으로는 주로 리튬염을 사용하지만 실리콘이나 다른 종류의 염도 연구가 한창 진행 중이다.

액체 전해액을 겔 형태로 바꾼 것을 리튬-폴리머 전지라고 하며, 전해액을 사용한 배터리에 비해서 화재 및 폭발 위험이 낮기 때문에 스마트폰을 비롯한 모바일 기기에서 많이 쓰이고 있으며 전기자동차 쪽에서도 사용이 늘고 있다. 아예 전해액을 고체로 대체하는 전고체 배터리 연구도 한창이다. 전해액을 고체로 대체할 수 있으면 안정성은 월등하게 높아지며, 분리막이 필요 없기 때문에 그만큼 에너지 밀도가 높아지는 효과가 있다. 그러나 리튬 이온의 이동성은 액체보다 겔이, 겔보다 고체가 떨어지기 때문에 어떻게 하면 이온의 이동성을 끌어올릴 것인가가 관건이다. 일본 토요타는 2021년까지 전고체 배터리를 탑재한 전기자동차를 내놓겠다고 선언했는데, 업계의 분위기는 반신반의 정도다. 전기자동차에 상용화 할 수 있다고 보는 시점은 2023~2025년 정도를 얘기하는 곳도 있지만 업계 내부는 대체로 2020년대 후반 또는 2030년 정도는 되어야 상용화가 가능할 것이며, 전기자동차와 같은 대용량 배터리 적용은 아예 불가능에 가깝다고 보는 비관론도 많다.

분리막

Seperator.

양극과 음극 사이를 분리 절연해 주는 얇은 막이다. 절연 기능을 하면서도 리튬 이온은 막을 통과해야 하므로 폴리에틸렌(PE) 또는 폴리프로필렌(PP)에 특수 처리를 해서 미세한 구멍이 많이 있는 구조를 채택하고 있다. 미세한 구멍을 만드는 방법으로는 건식과 습식이 있는데, 건식은 필름을 여러 방향으로 늘려 주는 방법을 사용하는 것으로 원가 면에서 경쟁력이 있다. 습식은 필름을 만들 때 사용했던 가소제를 추출하면서 생긴 구멍을 늘려주는 방식으로 만든다. 건식에 비해 구멍이 미세하고 고르게 분포하기 때문에 성능 면에서는 우수하지만 가격이 비싸다.

분리막 자체는 배터리의 용량이나 에너지 밀도에는 도움이 안 되며 오히려 마이너스이므로 얇으면 얇을수록 좋긴 한데, 그러다 보면 절연 기능이 떨어지고 외부 충격에 손상되거나, 특히 온도가 올라갔을 때 녹기가 쉬워져서 화재나 폭발 위험이 그만큼 상승한다. 배터리 내부 온도가 올라가서 분리막이 조금 녹으면서 구멍이 막히는 현상을 셧다운이라고 하는데, 셧다운이 일어나면 배터리를 사용할 수 없게 되긴 하지만 구멍이 막히면 리튬 이온이 왔다갔다하지 못하므로 화재나 폭발 위험은 진정시킬 수 있다. 어차피 못 쓰게 되는 거, 터지느니 그냥 셧다운 되고 끝나는 게 낫다. 어떤 온도에서 셧다운이 일어나도록 할 것인지 조절하는 기술도 필요하다. 분리막이 온도에 좀 더 잘 버틸 수 있도록 세라믹 물질을 코팅하는 기술이 쓰이고 있다.

단, 전고체 배터리가 상용화되면 분리막을 필요로 하지 않는다. 물론 전고체 배터리가 상용화까지는 아직 이르지 못했고, 현재 사용하는 배터리에 비해서 충분한 경쟁력을 갖추려면 그보다도 더 시간이 필요하므로 조만간 분리막 업체가 손가락 빨 일은 없을 것이다.

제조 공정

극판 공정

먼저 양극판과 음극판을 만든다. 재료의 차이는 있지만 양극판이나 음극판이나 공정은 거의 비슷하다.

1. 믹싱 : 활물질과 도전체, 바인더를 섞어서 걸쭉한 슬러리를 만들어 준다.
2. 코팅 : 양극이라면 알루미늄박, 음극이라면 구리박에 슬러리를 얇고 고르게 펴발라준다.
3. 프레싱 : 활물질이 균일하고, 단단하게 코팅될 수 있도록 눌러준다.
4. 라미네이팅 : 절연이 필요한 부분에 테이프를 붙여 준다.
5. 슬리팅 : 배터리의 종류에 맞게 적당한 크기로 잘라준다. 이를 건조해 주면 극판이 완성된다.

현재 활물질을 파우더 상태에서 그대로 극판에 밀착시켜 붙이는 건식 공정이 개발되고 있으며, 그러게 되면 슬러리를 만들고 극판에 바른 후 건조하는 과정은 생략할 수 있다.

조립 공정

양극판과 음극판 사이에 분리막을 끼워넣은 다음 배터리의 종류에 따라서 돌돌 말아넣거나 (와인딩) 접어서 포개준다(스태킹 & 폴딩). 이를 배터리 용기 안에 넣어준 다음 전해액을 채워주고, 배터리와 외부 회로를 연결시켜주는 부품을 장착한 다음 용기를 밀폐시켜서 완성한다. 이렇게 배터리로서 구실을 할 수 있는 하나의 단위를 셀(cell)이라고 하며, 이 셀을 여러 개 모은 것을 모듈(module), 모듈을 여러 개 모아서 하나의 큰 배터리로 만든 것을 팩(pack)이라고 한다. 작은 용량이라면 셀에서 바로 팩으로 만드는 것도 가능하지만 전기자동차와 같은 대용량은 셀→모듈→팩으로 만든다. 최근 들어서는 배터리의 단위 면적 당 에너지 밀도를 높이기 위해 모듈을 생략하는 셀-투-팩 (cell-to-pack) 기술을 활발하게 개발하고 있다. 팩에는 배터리 말고도 배터리가 고르게 충전 및 방전될 수 있도록 관리하는 시스템, 그리고 배터리 냉각에 필요한 장치가 들어간다.

화성 공정

이렇게 만들어진 배터리는 아직까지 전지의 구실을 하지 못하기 때문에 기능을 활성화시켜 주는 공정이 필요하다. 설정된 온도와 습도 안에 배터리를 놓아두는 에이징을 통해서 전지 내부에 있던 전해액이 고르게 잘 분산되도록 하며, 충전과 방전을 함으로써 기능을 리튬 이온과 전자가 활성화되도록 만들어 주는 공정이 필요하다.

종류

내부 구조는 거의 모든 리튬-이온 전지가 같으며 주로 모양에 따라서 종류를 구별한다.

원통형

우리가 아는 건전지와 같은 모양을 하고 있다. 양극재-분리막-음극재를 겹쳐서 돌돌 말은 다음, 원통형 용기 안에 넣고 전해액을 채운다. 오래 전부터 만들어 오던 구조이고, 원가도 저렴하다. 하지만 셀 하나의 크기를 크게 만드는 데 한계가 있기 때문에 전기자동차와 같은 대용량 배터리는 셀이 엄청 많이 필요하다. 테슬라 모델 S의 경우 원통형 셀 7,000개가 들어간다. 이렇게 되면 일부 셀들은 충전이나 방전이 다른 셀보다 많이 일어나기 쉬운데, 이는 일부 셀의 수명이 짧다는 이야기가 되며 전체적인 성능에 안 좋은 영향을 준다. 테슬라는 이 방식을 사용하고 있는데, 배터리 관리 시스템을 고도화 하는 방식으로 문제를 극복하고 있다.

각형

양극재-분리막-음극재를 겹쳐서 돌돌 말은 다음 직사각형 모양의 알루미늄 용기 안에 넣고 전해액을 채운다. 셀의 크키를 원통형보다 크게 만들 수 있다. 자동차 모델에 따라서 차이가 있지만 대체로 전기자동차에는 대체로 100개 안팎의 셀이면 충분하다. 다만 용기가 무겁기 때문에 배터리의 무게가 무거워진다는 단점이 있다. 또한 네모난 용기에 주요 구성요소를 돌돌 말아 넣는 방식이라서 그만큼 비는 공간이 생긴다. 즉 부피 대비 에너지 밀도가 다음에 나올 파우치형보다는 나쁘다. 다만 최근에는 삼성SDI를 필두로 각형에도 스택 앤드 폴드 방식을 적용하는 기업들이 나타나고 있어서 이 문제는 앞으로 해소될 여지가 크다. 방열 성능이 좋지 않아서 냉각 장치에 신경을 많이 써야 한다는 점도 단점으로 꼽힌다. 반면 용기의 강성은 파우치보다 좋으며, 추가로 안전 장치를 설치할 수 있는 여지가 있기 때문에 안전성 면에서는 파우치형에 비해서 우위를 가진다.

파우치형

두께가 얇은 알루미늄 파우치를 용기로 사용하는 방식이다. 모양을 다양하게 만들기 쉽고 방열 성능도 각형보다 유리하다. 여기에 주요 구성요소를 채워넣을 때에는 돌돌 말아서 넣기보다는 겹처서 쌓는 스택 앤드 폴드 방식을 사용하는데, 파우치 내부 공간을 최대한 채울 수 있기 때문에 부피 대비 에너지 밀도가 높다. 스마트폰에 들어가는 배터리는 거의 파우치형이 대세다. 그러나 제조 공정이 복잡하기 때문에 제조 원가가 비싼 게 가장 큰 단점. 또한 알루미늄 파우치는 외부 충격에 약하므로 보호 케이스가 필요하다. 이렇게 되면 추가 비용이 발생하고 각형에 비해서 얇게 만들 수 있다는 장점도 빛이 바랜다. 예를 들어 최근 스마트폰은 탈착식이 점점 사라지고 일체형이 대세인데, 스마트폰 자체가 케이스 구실을 하기 때문에 그만큼 부피에서 이득을 볼 수 있다는 면이 크다.

국내 주요 배터리 생산 회사 중 삼성SDI는 원통형과 각형에 주력하고 있으며, LG화학과 SK이노베이션은 파우치형을 주력으로 하고 있다.