양극재는 뭐고 분리막은 뭔지…‘F4’ 배터리소재 알아봅시다[비즈360]

[헤럴드경제=서경원 기자] 배터리 소재의 ‘F4’라고 불리는 양극재, 음극재, 전해액, 분리막에 대해 알아보자.

리튬 산화물로 구성된 양극은 주로 배터리의 용량과 사용시간에 큰 영향을 미친다. 리튬은 전자를 잃고 양이온이 되려는 경향이 강해서 양극 소재로 적합하다. 단, 원소 상태의 리튬은 불안정하기 때문에 리튬과 산소를 결합한 리튬 산화물 형태로 사용된다.

양극재의 리튬 비중이 높을수록 배터리 용량이 커지며, 배터리 전압은 양극의 전위차에 의해 결정된다. 최근에는 고성능 양극재의 수요가 늘면서 NCA(니켈·코발트·알루미늄), NCMA(니켈·코발트·망간·알루미늄) 등 다양한 양극재가 개발되고 있다.

흑연으로 구성된 음극은 양극에서 나오는 리튬 이온을 저장했다 방출하면서 전류를 흐르게 한다. 이같은 흑연은 배터리의 수명에 큰 영향을 미친다. 배터리가 충전 상태일 때 리튬 이온은 음극에 존재하는데, 이때 양극과 음극을 도선으로 이어주면 리튬 이온은 전해질을 통해 양극으로 이동하고, 리튬 이온과 분리된 전자는 도선을 따라 이동하며 전기를 발생시킨다.

하지만 이런 과정이 반복될수록 흑연의 구조가 변화하며 저장할 수 있는 이온의 양이 줄어들게 되는데, 이 때문에 배터리 수명이 줄게 된다. 음극재 역시 용량이 크고 충전 속도를 빠르게 할 수 있는 실리콘을 활용한 차세대 음극재 개발이 활발하게 진행되고 있다.

전해액은 양극의 리튬 이온이 이동할 수 있도록 하는 매개체 역할을 한다. 리튬의 외출을 위한 이동 수단으로 이온 전도도가 높은 물질이어야 한다. 또 안전을 위해 전기화학적 안정성, 발화점 역시높아야 한다. 현재로선 액체 상태의 전해질이 널리 사용되고 있지만 안전성과 성능이 더 뛰어난 고체나 젤 형태 전해질에 대한 연구도 속도가 빨라지고 있다.

분리막은 양극과 음극이 직접적으로 접촉하는 것을 막아주는 일종의 벽 기능을 수행한다. 안전을 위해 높은 전기절연성과 열 안정성이 요구되며, 일정 이상의 온도에서는 자동으로 이온의 이동을 막는 기능도 갖춰야 한다. 현재 분리막에는 폴리에틸렌(PE)과 폴리프로필렌(PP)이 널리 쓰이고 있는데 이를 더 얇게 만들기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다.

이처럼 양극과 음극이 배터리의 기본 성능을 결정하는 요소라면, 전해액과 분리막은 배터리의 안정성을 확보하는 역할을 하고 있는 것이다.

최근 여러 경로를 통해 접하고 있는 배터리는 모두 2차전지(secondary battery)를 가리킨다. 2차전지는 쉽게 말해 충전 배터리라고 보면 된다. 한번 쓰고 버리는 게 아니라 충전을 통해 반영구적으로 사용할 수 있는 전지다. 우리가 흔히 한번 쓰고 버리는 망가니즈전지는 1차전지라고 불린다.

2차전지에도 종류가 여러가지다. 처음 충전 배터리가 출시됐을 때 가장 보편적으로 사용됐던게 니켈·카드뮴 전지다. 이 전지는 값이 저렴하단 장점이 있지만, 완전히 방전되지 않은 상태에서 충전할 경우 가용 전기량이 줄어든다는 단점이 있다. 이를 메모리 현상이라고 하는데, 배터리 사용기간이 경과될수록 점차 수명이 단축되는 걸 피하기가 어려웠다. 그래서 개발된 것이 리튬이온 전지다, 메모리 현상이 없고 안정성이 높으며 에너지 효율이 좋아 지금은 2차전지 시장의 대세로 자리매김한 상태다.

기본적으로 2차전지란, 전기 에너지로 전기 자체를 저장하는 게 아니라 화학 에너지 형태로 전환해 저장하는 방식이다. 전지 내 양극과 음극 사이에 이온이 이동하면서 전자의 흐름을 발생시키는 것이 전기인데, 이온 이동에는 물에 녹였을 때 전류가 흐를 수 있도록 하는 전해질이 필요하다.

리튬이온 전지라고 했을 때 리튬이온이란 바로 전지 내 전해질이 리튬으로 돼 있다는 뜻이다. 리튬 전지는 동일 용량의 다른 전해질보다 무게와 부피 소형화가 가능하며, 환경 규제 물질이 아니라는 점에서 친환경 소재로 각광을 받고 있다.

몇년 전부터는 전고체(solid-state battery) 리튬이온 배터리가 한 단계 진화된 2차전지로 부상했다. 전고체 전지는 액체 형태의 전해질을 고체로 대체한 것으로, 전해액과 분리막을 없애는 대신 그 안에 에너지 밀도가 더 높은 물질을 넣어 에너지 효율을 크게 신장시킬 수 있게 한 것이다.

테슬라 등 완성 전기차 업체들이 줄기차게 주행거리 향상, 충전시간 단축, 수명 증가 등을 요구하고 있는 가운데 전고체 배터리로 상당 부분 이를 충족시킬 수 있는 기능을 보유할 수 있게 된 것이다. 액체 형태의 전지는 만에 하나 양극와 음극의 접촉시 화재 발생 위험이 있는데, 전고체는 구멍이 뚫려도 정상작동할 수 있어 안정성 면에서도 뛰어다고 볼 수 있다.

하지만 전고체 전지가 실제 시장에 도입되는 시기는 빨라도 2027~2030년 경일 것으로 전망돼 액체 형태의 리튬 이온 전지에 첨가제를 통해 성능을 개선하는 방안이 시도되고 있다. 음극재에서 에너지 용량을 높일 수 있는 실리콘 음극활물질이나 CNT(탄소나노튜브) 도전재 등이다.

3차 전지도 있다. 단순히 전기 충전으로 에너지를 저장하는 것을 넘어 수소를 주입해 산소의 전기 화학반응으로 배터리 자체에서 전기를 만들어 내도록 한 배터리를 3차전지라고 부른다.

수소전지라 불리는 연료전지는 전기분해의 반대 원리가 적용된다. 수소(H2)를 배터리에 주입하면 산소(O2)와 만나 전기와 물(H20)을 만들어내는 구조다. 2차전지처럼 전기를 직접 충전하지 않아도 주유하듯 수소를 넣어주기만 하면 영구적으로 사용 가능한 저공해, 고효율 에너지원이다.

하지만 제조 원가가 높아 소재 가격의 현실화가 뒤따라야 할 것으로 보인다. 우리나라의 현대자동차가 세계적으로 수소자동차 시장을 선도하고 있다.