2차전지 소재-1

리튬이온배터리의 핵심, 리튬(Li)

노트북, 태블릿PC, 스마트폰, 청소기, 소형전자기기 부터 자동차까지 다양한 전자제품의 등장은 생활을 더욱 편리하게 만들어주고 우리 삶에서 비중을 키워가고 있다. 점차 코드리스 시대로 전환을 가능케 한 것은 바로 리튬이온배터리로 그 핵심 소재는 리튬이다. 점차 전기자동차 시대에 돌입하면서 그 가치는 더욱더 높아지고 있다. 

오늘날 '백색황금'으로 불릴만큼 귀한 존재가 되버린 리튬은, 1817년 스웨덴 화학지인 요한 아우구스트 아르프베드손(Johan August Arfwedson, 1792~1841)이 최초로 발견했다. 페탈라이트(Petalite, 엽장석)이라는 광물에 대한 화학 분석을 하던 중 물속에서 끓다가 폭발하는 원소를 발견했는데 약 4% 정도의 미지의 알칼리 금속이 포함되어 있었다. 당시 나트륨(Na), 칼륨(K)등의 알칼리 금속과 달리 이 새로운 알칼리 금속은 광물에서 발견되었기 떄문에 '돌, 암석'을 뜻하는 그리스어 리토스(Lithos)에서 이름을 따와 리튬(Lithium)으로 명명했다. 당시에는 전기분해장치가 없어서 원소를 분리하는데 실패했으나 1818년 영국의 화학자 험프리 데이비(Humphry Davy, 1778~1829)가 순수한 리튬 원소를 추출하는데 성공했다. 

리튬은 원자번호 3번 원소로 원소기호는 'Li'으로 표기한다. 주기율표에서 제 1족에 속하는 알칼리 금속의 하나로 원자량은 6.941 g/ml, 녹는점 180.54 ℃, 끓는점 1,347 ℃, 밀도는 0.534 g/cm2이다.

은백색을 띠는 리튬은 금속 중에서 가장 가볍고 고체 원소중에서도 가장 밀도가 낮으며 사람이 칼로 자를 수 있을 정도로 무르다. 자연 상태에서는 화합물로만 존재하고, 물과 접촉 시 격렬한 화학반응이 발생하기 때문에 파라핀과 같은 기름 속에 보관하는 것이 일반적이다. 

리튬은 다양한 곳에 쓰이지만 현재 가장 주목받는 산업적 활용처는 배터리 분야이다. 리튬이온배터리의 4대 구성 요소인 양극재, 음극재, 전해질, 분리막 중 양극재에 사용되며 (음극재에도 사용됨), 질량과 부피 대비 에너지 밀도가 매우 높고 고속 충방전에 유리하다는 장점이 있다. 이전까지 사용되던 니카드배터리, 니켈 금속수소배터리에 비해 가벼우면서 대용량 제품을 구현할 수 있다는 특성 덕분에 현재 배터리 분야에서 주류로 자리잡게 되었다. 주요 리튬생산국으로는 미국, 호주, 칠레, 브라질, 중국, 아르헨티나, 볼리비아 등이 있으며 그 중 남미권이 세계 리튬 매장량의 60% 를 차지하여 중추 지역으로 손꼽힌다. 

 

현재 전망으로는 최근 리튬 2차전지의 에너지 밀도 증대에 대한 요구가 커짐에 따라 궁극의 음극재로 여겨지는 Li metal 음극에 대한 관심이 다시 고조되고 있으며 현재 R&D에서는 적용되고 있으나 실제로는 적용되고 있지 않다. Li metal이 지니고 있는 기술적인 문제점들을 해결하고자 하는 연구가 다시 관심이 대상이 되고있어 이러한 문제들을 해결하면서 다양한 구조의 리튬2차전지에 적용될 것으로 예상이 되고 있다. 

연구방향은 Li metal의 표면형상을 조절하여 안정적이고 균일한 SEI막을 형성함으로써 충방전 효율을 향상시키기 위함

• 화학, 전기화학적으로 안정하고 기계적으로 견고하며 Li 석출및 용해 동안 부피 변화를 수용할 수 있는 artificial protected layer 형성 : Li3PO4막 형성 (Li금속을 폴리인산에 전처리 함으로써 50 nm 정도의 균일한 Li3PO4 SEI 막을 Li metal 표면에 형성시켜줌. 기존의 Li2CO3와 같은 SEI막을 대신해 보호막 역할을 하도록 한다. 또한 Li3PO4은 PVD와 같은 물리적증착법을 사용하여 형성할 수도 있다. 이 layer는 비정질 특성을 가지며 두께조절에 용이하다).
• Composite protective layer(CPL) 유기-무기 복합 보호막 형성 : Li 이온 전도가 가능한 유기-무기 복합층을 Li metal 표면에 형성시킴으로써 Li dendrite의 성장을 억제함+cycle 특성도 개선할 수 있다. 유기물로는 PVDF-HFP, 무기물로는 Al2O3 채용 (Alumina가 기계적 특성을 향상시키는데 기여)
• Nafion protective layer : Li metal 표면에 Nafion layer를 수 um두께로 lamination 방법으로 형성 
• Atomic Layer Deposition (ALD) 법에 의한 보호막 형성 : 원자층 증착법은 원자층 두께의 초미세 층간 증착이 가능하며 비교적 저온 비활성 분위기에서 실시된다. 이 방법을 통해 Al2O3막을 Li metal 표면에 코팅하면 수명 특성이 향상된 것을 확인할 수 있었다. 
• 전극 구조 설계 (신구조체)
• 3D Cu 집전체 : Li metal 음극 충방전 시 Li 이온의 불균일 분포는 Li 금속의 dendrite 형성과 성장에 직접적인 원인으로 전극의 비표면적을 증가시켜 높은 전류밀도에서도 dendrite 형성을 억제할 수 있다. 3D 구조 집전체의 경우 전기장이 균일하게 분포하여 Li 석출도 균일하게 일어난다. 이러한 3D 집전체를 형성하면 수명 특성이 개선된다.
•  SEI막 및 계면 성분이 전해액의 성분에 의해 결정되기 떄문에 적절한 전해액 및 첨가제 이용 
• 고농도의 new salt 전해액 적용 : Li metal의 가장 큰 issue는 dendrite 형성이기 떄문에 전해액 salt와 solvent를 일반적으로 사용되는 1몰의 LiPF6-PC solvent가 아니라 새로운 LiFSI-4몰의 DME로 실험 진행결과 전해액 solvent분자와 Li metal사이의 부반응이 줄어듦으로서 dendrite 억제되고 수명 특성 향상됨
•  Li dendrite를 억제할 수 있는 분리막 개발