리튬 니켈 코발트 알루미늄 산화물

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 LiNi_xCo_yAl_zO₂의 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 LiNi_0.84Co_0.12Al_0.04O₂이다.

NCA의 특성

NCA의 사용 가능한 전하 저장 용량은 약 180~200 mAh/g이다.^[1] 이는 이론값보다 훨씬 낮다. LiNi_0.8Co_0.15Al_0.05O₂의 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 LiNi_0.33Mn_0.33Co_0.33O₂와 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]

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

LiNi_xCo_yAl_zO₂ 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

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 SiO_{2]]) 또는 FePO4와 같은 인산염을 포함할 수 있다.^[2]}

NCA 배터리: 제조업체 및 사용

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 LiNi_0.84Co_0.12Al_0.04O₂가 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]}