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리튬 이온 지용 탄소 음극재료의

최신 동향

한국과학기술정보연구원

전 문 연 구 위 원 서 홍 석

(shs5626@reseat.re.kr)

1991년에 리튬이온 지가 발매된 이래 재까지 거의 모든 지의 음극에

탄소재료가 사용되고 있다. 당 에는 안 성이 높은 결정 탄소재료가 사용

되었으나 최근에는 휴 화 단말의 장시간가동, 소형 경량화 등의 요구로부

터 보다 에 지 도가 큰 흑연계 탄소재료가 주류를 이루고 있다.

흑연은 탄소가 6각 망목상으로 규칙 으로 배열하여, 탄소평면이 몇 개의

층으로 층되어 있는 층상 결정구조를 가지고 있으며, 층 사이에 리튬이온

이 삽입, 탈착되어 충방 하는 구조로 되어있다. 리튬이온이 흑연에 삽입되

어 생성하는 흑연-리튬 층간화합물 LiC6의 이론용량은 372Ah/kg이며, 이것

이 지의 용량에 기여한다.

그러나 이론용량은 완 결정에서만 얻어지며, 공업 으로 생산 가능한 흑

연에서 고용량화를 실 하기 해서는 결정화도를 이론값에 근 시키는 것

이 요하다. 수많은 흑연 에서 천연에 존재하는 흑연은 이론결정에 가까

운 고도의 결정구조를 가지며, 방 용량도 약 365Ah/kg으로 이론값에 가깝

지만 입자형상이 인편상이기 때문에 류 방 시에 용량이 하하는 문

제가 있어 실용화에 합하지 않다.

천연 흑연과 동등한 결정화도를 가지며, 실용성이 우수한 흑연 음극의 출

이 요망되어왔으며, 이 요구를 만족하는 음극으로서 일본의 Hitachi Chemical

Industry에서는 괴상 인조흑연 MAG(Massive Artificial Graphite)를 개발하

다.

MAG의 주요 특징은 고도로 균일한 결정구조와 공 모양의 괴상으로 내부

에 세공을 가진 독특한 입자구조를 유지하고 있다. MAG 입자는 편평상의 1

차 입자가 랜덤하게 배치되어 2차 입자를 형성하고 있으며, 이들 간격에는

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많은 세공이 분포되어 있다. 한 이것을 형성하는 1차 입자는 특수한 원료

와 로세스를 사용하여 천연흑연과 같은 완 결정에 가까운 고도의 결정화

도를 가지고 있다.

한 MAG는 랜덤하게 배치한 결정 단면에 리튬이온이 용이하게 삽입, 탈리

할 수 있다. 입자 내부의 세공에는 해액이 침투하여, 이에 따라 리튬이온이

확산한다. 이온의 확산속도에서는 고상에 비하여 액상에서 보다 고속으로 이루

어진다. 이 때문에 순간 으로 다량의 이온 확산이 요구되면 류 방 시에

는 인편상의 흑연에서는 확산 율속으로 되어 충분한 용량이 유지될 수 없다.

Hitachi Chemical이 개발한 인조흑연 음극재료 MAG는 종래의 흑연 음극

재료에 비하여 우수한 방 특성을 발휘하고, 기기의 소형 경량화, 장시간 구

동, 특히 류 사용 시의 기기의 작동시간을 하게 개선할 수 있고, 모

바일 기기의 고성능화 니즈에 응할 수 있다. 그러나 매년 증가하는 기기의

고성능화의 니즈에는 개발 기의 MAG로는 충분하지 못하 다.

리튬이온 지가 처음으로 상시된 1991년 이후 지의 용량은 연률 10%

이상의 비율로 상승하여, 실제 2009년에 상시된 18650형에서 2.8Ah의 원통

지에 사용되고 있는 음극의 도는 1.7g/cm3으로, 흑연의 이론비 에 근 하

고 있다. 통상 극 도의 증가에 따라 일반 인 흑연은 면 방향으로 입자

흑연결정이 배향하고, 리튬이온의 삽입경로인 흑연의 결정단면은 극방

향으로 수직으로 배치된다. 이 때문에 리튬이온 확산이 율속화하여 지의

방 성능이 하된다. 고 도 역에서 우수한 방 성능을 발휘시키기 해

서는 입자/결정의 배향을 억제하여, 고 도에서도 양호한 리튬이온의 확산을

도모하는 것이 요하다.

Hitachi Chemical에서는 특수한 원료와 제조방법으로 이 문제를 해결하여

고 도 응 그 이드를 개발하 으며, 종래 제품에 비하여 특히 류 방

에 있어서 높은 용량이 유지되며, 재 이 개발품은 2.6Ah 이상의 많은

지에 탑재하고 있다.

최근 리튬이온 지의 용도는 휴 화나 노트북 PC뿐만 아니라 종래 니

카드 지나 니 수소 지가 사용되던 동공구나 동어시스트 자 차 용도

로 사용되고 있다.

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이 분석물은 교육과학기술부 과학기술진흥기금을 지원받아 작성하였습니다.

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2011년 이후는 기자동차 등 환경 응 자동차에 탑재되기 시작하여 큰 시

장이 형성될 것이다. 이러한 용도에 있어서 지는 경량 소형인 에 지 도

의 향상에 따라 순발성, 즉 에 지를 뽑아내는 출력 도가 요시되고 있다.

일반 으로 에 지 도는 방 용량과 내용 극 도의 합산에 의한 것으로

주로 흑연의 결정화도에 의존하고 있는데 하여 출력 도는 다른 특

성지표가 요구되고 있다.

흑연의 종류(MAG, 천연 흑연), 입자형태(평균입경)와 출력의 련성을 검

토하기 해 모델 셀을 사용하여 방 개시 수 에서의 셀 압의 변화를 측

정하 다. 압변화가 작을수록 항이 은 것을 의미하고, 고출력이 된다.

이에 의해 입경, 천연흑연에 비하여 MAG는 입경 20미크론에 비하여 15미크

론으로 항(고출력)임이 밝 졌다. 특히 자동차 용도에서는 출력 이외에

수명특성(사이클, 보존)도 요한 특성항목이며, 이들 밸런스를 확보할 수 있

는 흑연음극재의 개발이 요망된다.

흑연 음극의 방 용량은 이미 이론값에 가까운 상태로 실용화되어 있으나

흑연을 체할 수 있는 음극재료( 속 등)의 경우 아직 결 이 많아 기존의

용도에서는 당분간 흑연음극이 사용될 것이다. 한편 앞으로는 무정 원,

력 장용 등 산업용도 등 폭넓은 용도에 하여 코스트로 안정 으로

공 할 수 있는 음극재료가 요구되고 있다. 탄소 음극재는 지 까지도 많은

재료, 기술의 변천을 거쳐 특성이나 경제성이 개선되어왔지만 형 지의 수

요확 에 따라 일층 성능향상이 기 된다.

출처 : 西田達也, “リチウムイオン電池用カ-ボン負極材料の 新動向”, 「工業材料(日本)」, 59(5),

2011, pp.26~28