Intercaltion, Deintercalation 뜻과 원리
▲ Intercalation 인터칼레이션
: 층상구조가 있는 물질의 층간에 분자, 원자, 이온이 삽입되는 현상. 그냥 끼어들기라고 보면 된다. 이렇게 이온들이 결정 내로 들어가면, 결정의 전자 구조도 바뀌게 되어, 외부 도선을 따라 전자가 들어간다.
▲ Deintercalation 디인터칼레이션
: 인터칼레이션의 반대다. 이온이 결정에서 빠져나오고 전자는 외부 도선을 빠져나온다.
▲ 2차 전지에서는 intercalation을 이용하며, 아래 사진을 보며 참고하자.
▲ 방전
: 음극에 intercalation 되어있던 리튬이 환원 전위 차이로 산화반응을 통해 양극으로, 전자는 도선을 통해 이동하고 양극에서 환원 및 intercalation
▲ 충전
: 외부적인 힘으로 양극에서 방출된 리튬이온이 음극에 있는 흑연 내부로 intercaltion 시킨다.
음극의 CAPA 확대는 배터리 용량 확대와 직결되는 데, 흑연의 층상구조에 Intercalation 되는 리튬이온의 양이 배터리 용량을 결정하기 때문이다. 천연흑연은 탄소 원자 6개당 1개의 리튬이온은 intercalaiton 가능하다.(C6Li1)
즉, 안정적이지만 효율이 낮다. 그리고 현재 이론상 달성 가능한 용량이 최대치라 천연 흑연만으로는 한계점에 다다르고 있는 상황이다.
1개 당 저장 개수가 증가하면 이득인데, 그래서 실리콘 첨가 연구를 많이 한다. 실리콘은 원자 1개 당 리튬 이온을 5.5개 intercalation 할 수 있기 때문이다. 즉, 일부가 흑연에 첨가되는 것만으로도 음극재 전하량의 비약적 증대가 가능한 것이다.
양극재의 경쟁력은 LCO(리튬-코발트) - NCM(리튬-니켈-코발트-망간)에 기술변화에 달려있다.
현재까지는 리튬코발트산화물(LiCoO2)가 가장 우수한 양극재다. 특히 코발트를 쓰는 이유는 전자 배치가 독특해 이온의 크기가 아주 작고(특히 리튬 이온이 들어왔을 때인 Co3+에서) 안정된 층상구조를 유지할 수 있기 때문이다. 휴대성으로 무게와 크기가 중요한 노트북, 스마트폰이 LiCoO2를 쓰는 이유다.
리튬코발트산화물 충방전 시 산화 환원 과정
(충전된 상태) LiC6(음극) + CoO2(양극) ⇆ C6(음극) + LiCoO2(양극) (방전된 상태)
이때 리튬과 동시에 코발트 이온도 +3에서 +4로 산화되고, 흑연 사이로 리튬이온이 intercalation 되면 시커먼 음극이 황금색으로 바뀌면서 빛을 낸다고 한다.
반면, 전기차용 배터리에는 성능은 약간 떨어져도 가격 경쟁력이 높은 혼합 금속산화물을 양극재로 쓴다. 즉, 코발트에 니켈(Ni), 알루미늄(Al), 망간(Mn)을 적당한 비율로 조합한 형태다. 테슬라의 경우 리튬니켈코발트알루미늄산화 (LiNi0.8Co0.15Al0.05)이 양극재인 리튬이온 배터리를 쓴다. *그래도 무게로 따지면 여전히 코발트가 더 많이 들어간다(리튬 1에 코발트 1.28)!
한편 다른 업체들은 리튬니켈망간코발트산화물을 양극재로 쓰는데 배합비율에 다른 두 가지가 쓰이고 있다. 니켈, 망간, 코발트의 비율이 1:1:1인 유형은 무게비로 코발트가 리튬의 2.8배이고 비율이 6:2:2인 유형은 1.7배다. 결국 보면 코발트를 필수적이며, 전기차 배터리조차도 양극재에 리튬보다 코발트가 더 많이 들어간다는 말이다.
에너지 밀도가 높고 가벼운 리튬은 바다에서 미량 녹아있기 때문에 고갈될 일은 없지만, 매장량 발견이 늘지 않는다면 바다에서 추출하게 될지도 모른다. 하지만 25년까지는 그럴 걱정은 없다고 한다. 매장된 곳도 계속 발견되는 중이다.
코발트는 니켈광산에서 부산물로 니켈의 5% 정도로 나오고, 콩고에 있는 구리광산에서 나오는데, 불안정한 정치상황과 중국으로 넘어가 정제되기에 수급이 불안정하다. 그래서 코발트의 의존도를 줄이려고 업체들이 노력하는 것이다.
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