[알기 쉬운 이차 전지] 3주차 (1). 배터리 결정 구조의 개념

1. 양극재란?

• 양극은 방전 시 환원되는 전극으로 정의. 두 개의 전극 중 산화환원 전위가 상대적으로 높은 소재를 양극재라고 함.
• 리튬이온전지 (lithium-ion battery, LIB)에서 리튬 이온은 양극 소재의 구조 내부에만 존재.
• 셀 제작 직후 (충전 상태 전)의 음극 소재들 (흑연과 실리콘)은 리튬이 존재하지 않음.
• 음극재에 리튬 이온을 제공하는 양극재는 LIB 전지 특성을 결정하는데 핵심 물질.

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2. 층상 구조 (Layered structure) - LiMO2 (M = Co, Ni, Mn, Al...)

• 층상 구조 화합물 구조는 주로 금속 양이온이 중심에 위치, 꼭짓점에 산소 음이온이 존재하는 팔면체가 모서리 공유하며 한 층 구성.
• MO2층과 리튬 이온층이 교대로 적층 된 층상 구조
• 넓고 평평한 MO2층은 많은 양의 리튬 이온을 저장할 수 있어 높은 이론 용량을 가짐
• 2차원적 리튬 이온 확산 경로를 통해 층상 구조 내부에서 높은 이온 확산 속도를 가짐
• 고전압 충전 시, 리튬 이온의 부재로 구조 안정성이 떨어지고 층상 구조의 수직 방향으로는 리튬 이온의 확산속도가 낮다는 단점.

3. 스피넬 구조 (Spinel structure) - LiM2O4 (M = Ni, Mn,)

• 스피넬 구조는 산화물 구조에서 흔히 볼 수 있는 구조, 산소 이온은 층상 구조 화합물과 같이 팔면체를 이루며 내부에는 전이 금속 이온.
• 전이 금속 이온과 리튬 이온은 각각 16d 팔면체 위치와 8a 사면체 위치에 존재하는 입체적 형태를 가져 구조적 안정성 우수.
• 다양한 방향에서 리튬 이온이 삽입되는 3차원적인 리튬 이온 확산 경로 보유.
• 리튬 이온이 저장되는 공간이 적어 이론 용량이 낮고 리튬 이온의 확산 경로가 복잡하여 층상 구조 화합물보다 비교적 낮은 이온 확산 속도를 가짐.

4. 올리빈 구조 (Olivine structure) - LiMPO4 (M = Fe, Co, Ni, Mn)

• 올리빈 구조는, MO6 팔면체의 c축에 평행한 지그재그 면을 형성하여 서로 모서리 공유, PO4 사면체와 LiO6 팔면체와는 각각 한 모서리와 두 모서리를 공유.
• 금속 이온과 리튬 이온이 각각 8면체 자리의 절반을 차지하며 인 이온이 8면체 자리의 1/8 위치에 자리하여 층상 구조와 유사 이론 용량.
• 1차원적 리튬 이온 확산 경로
• 직선 방향으로의 리튬 이온 확산 속도는 빠르지만, 리튬 삽입 시 침체 현상이 발생
• 작동 전압이 낮아 (3.2 ~ 3.5V) 출력 밀도가 낮고 리튬 이온 침체 현상 -> 급속 충전 특성의 열약함 유발.