리튬이온배터리의 양극과 음극은 활물질, 도전재, 바인더 등으로 구성된 슬러리를 집전체 위에 코팅한 형태로 사용합니다. 집전체는 ㎛(1×10-6m) 단위의 얇은 금속판으로, 전자의 이동 통로이자 코팅층의 구조를 더욱 견고하게 유지할 수 있도록 도와주는 역할을 합니다. 

일반적으로 리튬이온배터리 집전체로 양극에는 알루미늄, 음극에는 구리 기재를 사용하는데요, 왜 해당 소재를 사용할까요?

[두 전극의 집전체를 동일한 소재로 사용하면 더 편하지 않을까요?]

집전체는 리튬이온배터리가 충·방전하는 과정에서 생겨나는 전자를 외부도선으로 이동시키거나, 전극의 활물질로 공급하는 통로 역할을 합니다. 따라서 집전체로 사용하는 금속판은 전기 전도성이 높아야 합니다. 또한 배터리의 높은 에너지 밀도와 고용량을 위해 얇게 가공이 가능하고 가벼워야 하며, 사업성을 고려해서 가격도 높지 않아야 합니다. 

구리는 주요 금속 중 은 다음으로 전기 전도성이 높은 금속으로 얇게 가공이 가능하고, 밀도가 상대적으로 낮아 가볍기 때문에 집전체에 사용하는 금속으로 적합하다고 할 수 있습니다. 

* 전기 전도성 순위 : 은 > 구리 > 금 > 알루미늄 > 마그네슘 > 아연> 니켈 > 철 >  납

[올림픽에서는 금은동 순이겠지만, 전기 전도성은 은구금 순입니다]

그렇다면 양극 집전체로는 왜 구리가 아닌 알루미늄 기재를 사용하는 걸까요? 반대로 가격적인 측면에서는 알루미늄이 구리보다 저렴한데, 음극 집전체로 알루미늄을 사용할 순 없는 걸까요? 

양극과 음극의 집전체로 서로 다른 금속을 사용하는 이유는 소재 고유의 전기화학적 특성 때문입니다. 양극은 고전압에서 구동되는 전극으로 집전체가 고전압(4V 이상)에서 안정적이어야 하며, 반대로 음극은 저전압에서 구동되는 전극으로 집전체가 저전압(~0.01V)에서 안정적이어야 합니다. 

그런데 구리는 3.385V 이상에서 리튬과 전기화학적 반응(산화)을 하기 때문에 양극 집전체로 사용할 수 없으며, 알루미늄은 저전압에서 리튬과 반응(환원)하여 합금을 생성하기 때문에 음극 집전체로 사용할 수 없습니다.

[구리는 고전압(양극)에서 산화, 알루미늄은 저전압(음극)에서 합금을 생성해 집전체로 사용할 수 없습니다]

정리하자면 양극 집전체로는 산화 전위(4V 이상)에서 안정한 금속, 음극 집전체로는 환원 전위(~0.01V)에서 안정한 금속이 필요합니다. 사실 양극 집전체로 가장 많이 사용하는 알루미늄은 본래 산화에는 불안정한 금속인데요. 다른 금속과 달리 공기중에서 표면에 Al2O3 층을 형성하는 특성이 있어, 이 층이 산화를 막아주는 보호막 역할을 해 양극 집전체로 사용할 수 있습니다. 

음극 집전체 후보로는 구리 외에도 니켈, 코발트 등 저전압에서 리튬과 쉽게 합금을 형성하지 않는 금속들이 있으나, 전기 전도성, 기계적 가공성, 열적 안정성, 가격 등을 따져봤을 때 구리가 가장 우수한 물성을 지니고 있어 일반적으로 사용되고 있습니다. 

즉 양극과 음극 집전체의 역할은 비슷하지만, 리튬이온배터리의 성능과 안정성을 위해 서로 다른 소재를 사용하고 있는 것입니다. 앞으로도 <1분 배터리>는 더욱 흥미로운 질문과 함께 돌아오겠습니다!