LiB 정극·음극재용 신소재 개발 … 박막화 통해 MEMS 적용
화학뉴스 2015.04.23
리튬이온 2차전지(LiB: Lithium-ion Battery) 재료, 센서 및 Actuator로 사용되는 압전재가 전자부품 소재로 각광받고 있다.LiB는 정식으로 실용화된 지 20년이 경과하면서 에너지 밀도가 크게 향상됐기 때문이다. 음극 탄소재의 특성 개선에 힘입은 바가 크지만 현재 탄소계 음극재의 성능은 한계에 봉착한 것으로 파악되고 있다. 앞으로 에너지 밀도를 대폭 향상시키기 위해서는 정극과 음극 모두 신소재의 활용이 중요시되고 있다. LiB용 정극재로는 일반적으로 LCO(LiCoO2: Lithium Cobalt Oxide)가 사용되지만, 최근 에너지 밀도를 향상시키고 전기자동차(EV) 및 축전용 대형 전지에 응용하기 위해 LCO 이외에 다른 소재의 개발과 실용화가 활발히 추진되고 있다. 다만, 원료인 코발트(Cobalt)가 상대적으로 고가여서 최근 몇 년 동안 탈코발트화가 지속돼 현재 LCO 사용 비율은 전체의 약 50%까지 떨어졌다. LOC 대체소재는 NCM(Nickel Cobalt Manganese), LMO(Lithium Manganese Oxide), LNO(Lithium Nickel Oxide) 등이 사용되기 시작했으며 용도에 따라 요구되는 특성에 대응할 수 있도록 실용화가 진전되고 있다. 또 음극재로는 탄소계가 계속 쓰이고 있으나 이미 이론용량에 가까운 부분을 사용하고 있기 때문에 LiB 에너지 밀도를 향상시키기 위해 신소재의 필요성이 커지고 있다. 차세대 소재로 기대되는 실리콘(Silicon), 아연(Zinc) 등의 금속계 음극재는 탄소계에 비해 용량이 최대 10배에 달하지만 충·방전 중 부피 변화가 크다는 점이 해결과제로 남아 있다. 자원을 안정적으로 확보하기 위한 방안으로 나트륨이온 2차전지(Sodium-ion Rechargeable Battery) 개발도 이루어지고 있다. EV 보급이 확대되는 가운데 구성소재의 고용량화 및 고전압에서의 동작 대응이 요구되면서 정극재, 음극재 단품에 국한되지 않고 전해액계나 분리막을 아우르는 기술개발이 필요할 것으로 파악되고 있다. 압전재는 기계 에너지를 전기 에너지로, 또는 전기 에너지를 기계 에너지로 변환하는 소재이며 가속도·압력 센서 등의 센서 픽업을 비롯해 압전 Actuator, 압전 트랜스 등의 용도로 광범위하게 사용된다. 압전재로는 수정(Rock Crystal), Lead Titanate, PZT(Lead Zirconate Titanate) 등이 있으며 PZT는 납을 함유하고 있어 동일한 특성을 지니는 무연 압전재에 대한 기대감이 높아지고 있다. 또 압전 세라믹(Piezoelectric Ceramics)으로 대응하기 어려운 용도에 적용하기 위해 압전 박막, 압전 단결정, 유기․고분자 압전재, 태양전지재료 등 Bulk Ceramics 외에 다양한 소재 개발이 추진되고 있다. 압전 박막은 전자기기의 소형화·고정밀화에 따라 소형에 미세형상이어도 특성이 발현되는 압전재가 요구되며 MEMS(Micro Electro Mechanical Systems) 디바이스에 적용하기 위해 압전재의 박막화가 필요해지면서 개발이 진행되고 있다. <화학저널 2015/04/23> |
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