본문으로 이동

리튬 니켈 코발트 알루미늄 산화물

위키백과, 우리 모두의 백과사전.

리튬 니켈 코발트 알루미늄 산화물(영어: Lithium nickel cobalt aluminium oxides, 약칭 Li-NCA, LNCA, 또는 NCA)은 혼합 금속 산화물의 한 종류이다. 이들 중 일부는 리튬 이온 전지에 사용되어 중요하게 여겨진다. NCA는 양극(배터리가 방전될 때 캐소드)의 활성 물질로 사용된다. NCA는 리튬, 니켈, 코발트, 알루미늄 원소의 양이온으로 구성된다. 이 계열 화합물은 LiNixCoyAlzO2의 일반식을 가지며, x + y + z = 1이다. 현재 시장에 나와 있는 NCA 전지는 전기자동차와 전기 기구에도 사용되는데, 이 경우 x ≈ 0.84이며, 이 전지의 전압은 3.6 V 또는 3.7 V의 공칭 전압에서 3.6 V에서 4.0 V 사이이다. 2019년에 사용되는 산화물 버전은 LiNi0.84Co0.12Al0.04O2이다.

NCA의 특성

[편집]

NCA의 사용 가능한 전하 저장 용량은 약 180~200 mAh/g이다.[1] 이는 이론값보다 훨씬 낮다. LiNi0.8Co0.15Al0.05O2의 경우 279 mAh/g이다.[2] 그러나 NCA의 용량은 148 mAh/g의 리튬 코발트 산화물 LiCoO2, 165 mAh/g의 인산철 리튬 LiFePO4, 170 mAh/g의 NMC 333 LiNi0.33Mn0.33Co0.33O2와 같은 대체 물질보다 훨씬 높다.[2] LiCoO2와 NMC와 마찬가지로 NCA는 층상 구조를 가진 캐소드 물질에 속한다.[1] 높은 전압 덕분에 NCA는 높은 에너지 밀도를 가진 배터리를 가능하게 한다. NCA의 또 다른 장점은 우수한 고속 충전 능력이다.[1] 단점으로는 높은 비용과 코발트 및 니켈의 제한된 자원이 있다.[1]

NCA와 NMC 두 가지 재료는 관련된 구조와 상당히 유사한 전기화학적 거동을 가지며, 특히 비교적 높은 에너지 밀도와 비교적 높은 성능을 보여준다. 주목할 만한 점은 Ni는 배터리 작동 중에 +2와 +3.5의 산화 상태 사이에서 순환되고, Co는 +2와 +3 사이에서 순환되며, Mn과 Al은 전기화학적으로 비활성 상태를 유지한다.[3]

테슬라 모델 3에 사용되는 NCA 배터리 팩에는 4.5~9.5 kg의 코발트와 11.6 kg의 리튬이 포함되어 있는 것으로 추정된다.[4]

아이오딘화 카드뮴 결정 구조

NCA와 밀접하게 관련된 산화 리튬 니켈 LiNiO2 또는 산화 니켈(IV) NiO2 자체는 기계적으로 불안정하고, 급격한 용량 손실을 보이며, 안전성 문제가 있어 아직 배터리 재료로 사용될 수 없다.[5]

니켈이 풍부한 NCA: 장점과 한계

[편집]

LiNixCoyAlzO2 중 x ≥ 0.8인 NCA는 니켈이 풍부하다고 불린다.[6] 이 화합물들은 이 물질 계열에서 가장 중요한 변형이다. 니켈이 풍부한 변형은 코발트 함량이 낮아 코발트가 니켈보다 몇 배 더 비싸기 때문에 비용 면에서 이점이 있다. 또한 니켈 함량이 증가함에 따라 전압과 배터리에 저장할 수 있는 mAh/g 전하량도 증가한다. 이는 코발트가 배터리 내에서 +3과 +3.5 사이의 산화 상태로 순환되는 반면(즉, 코발트 원자당 0.5 전자), 니켈은 +3과 +4 사이에서 순환될 수 있기 때문이다(즉, 니켈 원자당 1 전자). 따라서 양극에서 니켈의 몰 분율을 증가시키면 mAh/g 수와 셀 전압이 모두 증가한다. 그러나 니켈 함량이 증가함에 따라 배터리의 열폭주 위험과 조기 노화도 증가한다. 일반적인 NCA 배터리가 180°C로 가열되면 열폭주하게 된다.[7] 배터리가 이전에 과충전된 경우, 65°C에서도 열폭주가 발생할 수 있다.[7] NCA의 알루미늄 이온은 안정성과 안전성을 높여주지만, 자체적으로 산화 및 환원에 참여하지 않기 때문에 용량을 감소시킨다.

물질의 변형

[편집]

NCA를 더 견고하게 만들기 위해, 특히 50°C 이상의 온도에서 작동해야 하는 배터리의 경우, NCA 활성 물질은 일반적으로 코팅된다. 연구에서 시연된 코팅은 불화 알루미늄 AlF3와 같은 불화물, 결정성 산화물(예: CoO2, TiO2, NMC) 또는 유리질 산화물(이산화 규소 SiO2]]) 또는 FePO4와 같은 인산염을 포함할 수 있다.[2]

NCA 배터리: 제조업체 및 사용

[편집]

2015년 NCA의 주요 생산 업체와 시장 점유율은 스미토모 금속 광산이 58%, Toda Kogyo (BASF)가 16%, Nihon Kagaku Sangyo가 13%, Ecopro가 5%였다.[8] 스미토모는 테슬라와 파나소닉에 공급하며 2014년에는 월 850톤의 NCA를 생산할 수 있었다.[9] 2016년 스미토모는 월 생산 능력을 2550톤으로[10], 2018년에는 4550톤으로 늘렸다.[9] 중국 칭하이성 퉁런 현에서는 2019년부터 공장이 건설 중이며, 초기에는 월 1500톤의 NCA를 생산할 예정이다.[11]

2018년 현재 NCA 배터리의 가장 중요한 제조업체는 파나소닉 또는 파나소닉의 협력 파트너인 테슬라로 알려져 있다.[2] 테슬라는 자동차 모델의 구동 배터리에 NCA를 활성 물질로 사용한다.[12][13] 테슬라 모델 3[5] 및 테슬라 모델 X에는 LiNi0.84Co0.12Al0.04O2가 사용된다.[14] 몇 가지 예외를 제외하고, 2019년 현재 대부분의 전기자동차는 NCA 또는 리튬 니켈 망간 코발트 산화물 (NMC)을 사용한다.[5] 전기자동차 외에도 NCA는 전자 기기용 배터리에도 사용되며, 주로 파나소닉, 소니, 삼성이 사용한다.[8] 일부 무선 진공 청소기에도 NCA 배터리가 장착되어 있다.[15][더 나은 출처 필요]

각주

[편집]
  1. ↑ 가 나 다 라 Marca M. Doeff (2013), Ralph J. Brodd, 편집., “Battery Cathodes: Selected Entries from the Encyclopedia of Sustainability Science and Technology”, 《Batteries for Sustainability》 (New York, NY: Springer), 5–49쪽, doi:10.1007/978-1-4614-5791-6_2, ISBN 978-1-4614-5790-9 
  2. ↑ 가 나 다 라 Agus Purwanto; Cornelius Satria Yudha; U Ubaidillah; Hendri Widiyandari; Takashi Ogi (2018년 9월 26일), “NCA cathode material: synthesis methods and performance enhancement efforts”, 《Materials Research Express》 (IOP Publishing) 5 (12), 122001쪽, Bibcode:2018MRE.....5l2001P, doi:10.1088/2053-1591/aae167, ISSN 2053-1591, S2CID 106388037 
  3. ↑ A reflection on lithium-ion battery cathode chemistry. 2020. Nature Communications. 11/1, 9. A. Manthiram. doi: 10.1038/s41467-020-15355-0.
  4. ↑ Evan Leon (2018년 10월 26일). “From Mine to Market: Energy Metals & Electric Vehicle Industrialization” (PDF). 《Energy.umich.edu》 (영어). University of Michigan Energy Institute. 2019년 6월 16일에 원본 문서 (PDF)에서 보존된 문서. 
  5. ↑ 가 나 다 Matteo Bianchini; Maria Roca-Ayats; Pascal Hartmann; Torsten Brezesinski; Jürgen Janek (2019년 7월 29일), “There and Back Again-The Journey of LiNiO2 as a Cathode Active Material”, 《Angewandte Chemie International Edition》 (Wiley-VCH) 58 (31), 10434–10458쪽, doi:10.1002/anie.201812472, PMID 30537189, S2CID 54479125, 2021년 11월 26일에 확인함 
  6. ↑ Sheng S. Zhang (January 2020), “Problems and their origins of Ni-rich layered oxide cathode materials”, 《Energy Storage Materials》 24, pp. 247–254, 2021년 11월 26일에 확인함 
  7. ↑ 가 나 Xuan Liu; Kang Li; Xiang Li (2018). 〈The Electrochemical Performance and Applications of Several Popular Lithium-ion Batteries for Electric Vehicles – A Review〉. K. Li; J. Zhang; M. Chen; Z. Yang; Q. Niu. 《Advances in Green Energy Systems and Smart Grid》. ICSEE 2018, IMIOT 2018. Communications in Computer and Information Science. Springer, Singapore. 201–213쪽. doi:10.1007/978-981-13-2381-2_19. ISBN 9789811323805. 2021년 11월 26일에 확인함.  See also this alternative academic article source.
  8. ↑ 가 나 Christophe Pillot (2017년 1월 30일). “Lithium-ion battery raw material Supply & demand 2016–2025” (PDF). 《avicenne.com》 (영어). Avicenne. 
  9. ↑ 가 나 Yuka Obayashi, Ritsuko Shimizu (2018년 9월 13일). “Japan's Sumitomo to focus on battery material supply to Panasonic, Toyota”. 《Reuters》. 
  10. ↑ James Ayre (2016년 2월 26일). “Sumitomo Metal Mining Boosting NCA (Used In Lithium-Ion Cathodes) Production By 38 %, In Anticipation Of Tesla Model 3 Launch”. 《evobsession.com》 (영어). 
  11. ↑ Frank Liu (2019년 11월 13일). “Construction of 50,000 mt NCA cathode material project began in Qinghai”. 《SMM News – News.metal.com > News > Industry News》 (영어). Shanghai Metals Market SMM, SMM Information & Technology Co. 
  12. ↑ James Ayre (2017년 12월 2일). “Tesla Batteries 101 — Production Capacity, Uses, Chemistry, & Future Plans”. 《CleanTechnica》 (미국 영어). 
  13. ↑ Fred Lambert (2017년 5월 4일). “Tesla battery researcher unveils new chemistry to increase lifecycle at high voltage”. 《Electrek》 (미국 영어). Electrek, 9to5 network. 
  14. ↑ Gyeong Won Nam; Nam-Yung Park; Kang-Joon Park; Jihui Yang; Jun Liu (2019년 12월 13일), “Capacity Fading of Ni-Rich NCA Cathodes: Effect of Microcracking Extent”, 《ACS Energy Letters》 4 (12), 2995–3001쪽, doi:10.1021/acsenergylett.9b02302, ISSN 2380-8195, S2CID 210234684, 2021년 11월 26일에 확인함 
  15. ↑ “Dyson Cordless Vacuum Comparison Chart: Comparing Best With The Best – Powertoollab”. 《Best Power Tools for Sale, Expert Reviews and Guides》 (미국 영어). 2018년 8월 22일. [더 나은 출처 필요]
원본 주소 "https://ko.wikipedia.org/w/index.php?title=리튬_니켈_코발트_알루미늄_산화물&oldid=40277850"