리튬 배터리는 주로 양극, 음극, 분리막, 전해액, 결합제, 도전제, 집전체, 그리고 포장재로 구성됩니다. 재료 형태에 따라 분류하면, 양극, 음극, 결합제, 도전제는 다음과 같습니다. 분말 재료 리튬 배터리에서 고체 전해질 중 일부는 분말 소재이며, 일부 변형 분리막에도 분말 소재가 포함되어 있습니다.
양극
상용화된 양극재료로는 리튬코발트산화물(LiCoO2), 리튬망간산화물(LiMn2O4), NCM(LiNixMnyCozO2) 등이 있다. 리튬철인산염 (LiFePO4).
- 리튬 코발트 산화물(LiCoO2): 실온에서 검은색 고체입니다. 안정성, 간단한 합성, 높은 전기화학적 성능, 그리고 긴 사이클 수명으로 유명한 무기 화합물입니다. 리튬 이온 배터리용 양극 소재로는 최초로 상업적으로 성공했으며, 주로 3C 배터리에 사용됩니다.
- 리튬 망간 산화물(LiMn2O4): 입방정계 스피넬 결정 구조를 가진 흑회색 분말입니다. 3개의 리튬 이온 수송 채널을 포함하고 있어 이온 확산 속도가 빨라 고속 충전 리튬 이온 배터리에 적합합니다.
- 3원 양극 물질(LiNixMnyCozO2): LiCoO2에서 Ni와 Mn이 Co를 부분적으로 대체하는 삼원계 양극 소재입니다. LiCoO2의 안정성, LiNiO2의 높은 가역 용량, 그리고 LiMnO2의 안전성을 그대로 유지합니다. Co 함량이 낮아 원가가 낮아 유망한 양극 소재로 활용될 수 있습니다.
- 리튬철인산염 (LiFePO4): 올리빈 구조로 Co나 Ni와 같은 값비싼 원소를 포함하지 않습니다. 풍부한 원료를 사용하여 비용 효율적입니다. 적당한 작동 전압(3.2V), 높은 비용량(170 mAh/g), 높은 방전 전력, 빠른 충전 성능, 긴 사이클 수명을 제공합니다.
음극
일반적인 음극 소재로는 흑연, 경질 탄소, 연질 탄소, 리튬 티탄산염, 그리고 실리콘 기반 소재가 있습니다. 흑연은 가장 널리 사용되고 있으며, 실리콘 기반 소재는 가장 큰 잠재력을 가지고 있습니다.
- 석묵: 주로 흑연으로 구성되어 있으며, 높은 전도도와 에너지 밀도를 가지고 있습니다. 화학적인 안정성과 낮은 제조 비용을 자랑합니다. 천연 및 인공 형태로 제공됩니다.
- 하드 카본: 고온에서 흑연화되지 않는 탄소입니다. 무질서한 내부 결정 배열과 넓은 층간 간격을 가지고 있어 더 많은 전하를 저장할 수 있어 에너지 밀도와 배터리 수명이 향상됩니다.
- 소프트 카본: 이 소재는 2500°C 이상에서 쉽게 흑연화됩니다. 높은 질서도를 가지며 낮고 안정적인 충방전 전압을 제공합니다. 대용량, 고효율, 그리고 우수한 사이클 성능을 제공합니다. 구조는 소결 온도에 따라 달라집니다. 1000°C 미만의 온도에서 제조된 연질 탄소 소재는 결함이 많아 리튬 저장을 위한 활성점이 많아 리튬 이온의 원활한 삽입 및 방출에 유리합니다.
- 리튬 티타네이트: 높은 리튬 이온 추출 전압(Li/Li+ 대비 1.55V)을 갖는 백색 분말입니다. 높은 안전성과 "무변형" 특성을 지녀 리튬 이온 삽입 및 추출 시 구조 변화를 최소화합니다. 이는 무한한 이론 사이클 수명을 제공합니다. 따라서 에너지 저장 및 전력용 리튬 배터리의 음극 소재로서 연구 가치가 높고 상업적 응용 가능성이 높습니다.
- 실리콘 기반 소재: 나노 실리콘과 실리콘 아산화물을 포함합니다. 이러한 소재는 실리콘-탄소 또는 실리콘 산화물 음극에 사용됩니다. 실리콘 기반 음극은 탄소 기반 소재보다 훨씬 높은 비용량과 에너지 밀도를 제공하여 차세대 음극 소재로 가장 유망합니다.
바인더
폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF)와 스티렌-부타디엔 고무(SBR)와 같은 바인더가 사용됩니다. PVDF는 양극과 음극 모두에 사용할 수 있는 반면, SBR은 일반적으로 양극에 사용됩니다.
- 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF): PVDF는 뛰어난 화학적 안정성과 내식성을 가지고 있습니다. 전해질 용매의 부식성을 효과적으로 억제합니다. 또한, 우수한 접합력, 기계적 성능 및 가공성을 제공합니다. PVDF의 유연성 덕분에 팽창 및 수축 시 활성 물질이 분리되지 않습니다.
- 스티렌-부타디엔 고무(SBR): SBR은 수성 바인더로 널리 사용되며, 특히 음극 바인더에 많이 사용되며, 98%가 그 예입니다. SBR은 강력한 접착력, 기계적 안정성, 그리고 작동 편의성을 제공합니다. 또한 입자 결합을 돕고 배터리 역학을 향상시켜 임피던스를 줄이고 사이클 안정성을 향상시킵니다.
전도성 에이전트
- 전도성 물질은 미세 전류를 수집하여 집전체(알루미늄 또는 구리 호일)로 전달함으로써 우수한 충전/방전 성능을 보장하는 데 사용됩니다. 일반적인 전도성 물질은 다음과 같습니다. 카본 블랙, 기상성장탄소섬유(VGCF), 탄소나노튜브(CNT) 등이 있다.
- 카본 블랙: 미세하고 느슨한 검은색 분말인 비정질 탄소입니다. 유기물을 불완전 연소시키고 고온 처리하여 전도성과 순도를 향상시켜 제조합니다. 리튬 전지에서 가장 일반적으로 사용되는 전도성 물질로, 입자 간 접촉을 개선하고 전도성 네트워크를 형성합니다.
- 기상성장탄소섬유(VGCF): 이 섬유는 높은 굽힘 탄성률과 낮은 열팽창률을 가지고 있습니다. VGCF를 첨가하면 유연성과 기계적 안정성이 향상되어 전기 자동차와 같은 장수명 고출력 배터리에 적합합니다.
- 탄소 나노튜브(CNT): CNT의 임피던스는 카본 블랙의 절반에 불과합니다. 낮은 임피던스는 우수한 전도성을 제공하고, 분극을 개선하며, 사이클 성능을 향상시킵니다. 카본 블랙의 첨가량은 양극재 중량의 약 3%인 반면, CNT의 첨가량은 0.8%~1.5%에 불과합니다. 적은 첨가량으로 활물질 공간을 절약하여 에너지 밀도를 높일 수 있습니다. 그러나 CNT는 분산이 쉽지 않습니다. 현재 업계에서는 고속 전단, 분산제 첨가, 초미분쇄 비드 정전분산을 주로 사용하고 있습니다.
고체 전해질
일부 고체 전해질은 분말 형태이기도 합니다.
- 고순도 게르마늄 디설파이드(GeS2): 높은 이온 전도도, 화학적 안정성, 긴 수명을 가진 흰색 분말입니다. 순도 99.99%에 도달할 수 있습니다.
- 리튬 란탄 지르코늄 산화물(LLZO): 이 물질은 우수한 이온 전도도(1.5×10-4S/cm)를 가지며, 고체 리튬 전지 제조에 사용됩니다. 졸-겔, 저온 연소, 마이크로에멀젼 및 기타 방법으로 합성할 수 있습니다.
- 리튬 란탄 지르코늄 탄탈륨 산화물(LLZTO): 높은 이온 전도도, 화학적 안정성, 열적 안정성을 제공합니다. 제조 공정과 결정 구조를 최적화함으로써 전기적 특성을 더욱 향상시켜 고성능 전고체 전지의 요구를 충족할 수 있습니다.
다른 고체 전해질 분말로는 황산 바륨, 리튬 인 황 염화물(고안정성 황화물), 리튬 게르마늄 인 황 황화물 등이 있습니다.
배터리 분리기
기존 분리막은 고온에서 안정성이 낮아 안전성에 영향을 미칩니다. 안전성을 높이기 위해 분리막에 분체 코팅을 추가하여 개량했습니다. 이렇게 개량된 분리막에는 분체 재료가 포함되어 있습니다.
- 산화 알루미늄(Al2O3)：산화알루미늄은 자연에 풍부하게 존재하며, 뛰어난 화학적 불활성, 열 안정성 및 기계적 특성을 가지고 있습니다. 폴리올레핀 분리막의 전반적인 성능을 향상시키기 위해 세라믹 분리막에 널리 사용됩니다. 또한, 리튬 배터리 격막 개질에 대량으로 사용되는 무기 분말이기도 합니다.
- 보헤마이트(AlOOH): 일수화물 산화알루미늄으로도 알려진 보헤마이트는 결정수를 갖는 산화알루미늄의 한 종류입니다. 이는 대체 불가능한 산화알루미늄 전구체입니다. AlOOH는 α-Al2O3보다 생산이 더 쉽습니다. 산업계에서는 기브사이트 수열법으로 보헤마이트 슬러리를 얻고, 여과, 건조, 파쇄를 통해 AlOOH 초미분말을 얻습니다.
- 이산화티타늄(TiO2): TiO2는 무독성이고 안정적이며 제조 공정 제어가 용이합니다. TiO2는 분리막의 열 안정성과 전해질 습윤성을 향상시키고 계면 임피던스를 감소시켜 리튬 이온 수송을 개선합니다. 또한 유기 고분자 분리막 개질에 적합한 재료입니다.
- 이산화규소(SiO2): SiO2는 폴리머 개질에 사용되는 일반적인 무기 충전재입니다. SiO2의 넓은 표면적과 히드록실기(Si-OH)는 분리막의 습윤성을 향상시키고, 리튬 이온 수송을 향상시키며, 전기화학적 성능을 개선합니다. 또한 SiO2는 분리막의 기계적 강도를 강화하고 수지상 결정 성장을 방지하여 열 단락을 줄입니다. Al2O3, TiO2, AlOOH와 달리 SiO2는 제어 및 개질이 용이합니다.
에픽 파우더
에픽 파우더는 리튬 배터리 분말 소재 생산에 필수적인 첨단 분쇄 솔루션을 제공하는 데 특화되어 있습니다. 제트 밀, 볼 밀, 에어 분급기 등 최첨단 장비를 활용하여 정밀한 제어를 보장합니다. 입자 크기 양극재, 음극재, 전도성 물질 등 핵심 배터리 소재의 성능을 최적화하고 유통합니다. 당사의 최첨단 기술은 배터리 제조 효율을 향상시킬 뿐만 아니라 차세대 고체 및 고성능 배터리 개발을 지원합니다. Epic Powder와의 파트너십은 탁월한 에너지 저장 솔루션을 위한 리튬 배터리용 파우더 소재의 잠재력을 극대화하는 것을 의미합니다.