<그림 27>에서 보는 바와 같이 리튬 배터리는 양극(+)과 음극(-)간 리튬이온의 이동을 통해 화학에너지를 변환해 전기에너지를 만들어내는 장치이다. 리튬 배터리를 이루는 4대 구성요소는 양극, 음극, 분리막, 전해액로 구분된다. 양극은 리튬(Li)과 산소(O)가 만난 리튬 산화물(Li+O)로 구성되어 있다. 충전 시에는 양극을 이루는 물질 중에서 리튬이온만 빠져 나와서 음극으로 이동한다. 양극재는 리튬 배터리에서 배터리의 용량과 평균 전압을 결정한다.

반면 음극재는 양극재에서 만들어진 리튬이온을 저장, 보관되는 환원 반응을 보였다가 방전시 리튬이 리튬이온으로 산화되어 빠져나오면서 (Deintercalation) 외부 회로를 통해 전류를 흐르게 한다. 방전시에는 리튬이온이 원래 있던 양극으로 돌아가면서 이 때 전기가 발생하게 되는 것이다. 음극은 주로 흑연으로 만들어진다. 흑연은 마치 종이가 겹쳐 있는 것과 같은 층상 구조를 이루고 있다. 양극에서 빠져 나온 리튬이온들이 이러한 층상구조 사이에 저장되게 된다.

배터리의 양극과 음극 사이에는 분리막이 있다. 분리막은 미세한 구멍이 있어 리튬이온이 양극과 음극을 오갈 수 있게 한다. 하지만 폭발 방지를 위해 양극과 음극의 물리적 접촉은 막는 격리막 역할도 동시에 하게 된다. 마지막으로 전해액은 양극과 음극간의 이온 이동을 가능케 하는 중간 매개체로 리튬이온의 원활한 이동을 돕는 역할을 한다. 

현재 대부분의 전기차용 리튬 배터리는 ① 용량과 평균 전압을 결정하는 양극활물질로 NCM, NCA 등을, ② 리튬이온을 저장하고 전류를 흐르게 하는 음극활물질로 흑연을, ③ 양극과 음극 사이 리튬이온 이동 매개체인 전해질로 LiPF6, LiBF4, LiClO4 등의 리튬염을 Propylene Carbonate, Ethylene carbonate 등의 유기 용매에 용해하여 사용한다 

첨가제 종류는 크게 3가지로 구분할 수 있다. 

첫 번째로는 음극재에서 에너지 용량을 높일 수 있는 실리콘 음극활물질이다. 기존 흑연 소재에 실리콘 음극활물질을 5~10wt%로 첨가할 경우 음극재의 에너지 밀도 향상, 충전 속도 단축 등의 효과를 기대할 수 있다. 

두 번째로는 CNT 도전재이다. CNT 도전재는 양극재와 음극재에서의 역할이 서로 다르다. 양극재에서는 기존 도전재인 카본블랙을 대신해 CNT를 사용시 전자이동도가 높아 도전재 사용량을 1/5 수준으로 줄일 수 있다. 따라서 동일 부피 내에서 도전재 사용량을 줄이고 양극활물질을 더 많이 투입할 수 있어 에너지 밀도를 높일 수 있다. 음극재에서는 실리콘 음극활물질과 연관성이 높다. 실리콘 음극활물질은 기존 흑연 소재에 비해 부피 팽창이 크기 때문에 많은 문제가 발생할 수 있다. 이 때 CNT 도전재가 실리콘 음극재의 팽창을 잡아주는 보완재로서 사용된다. 

세 번째로는 전해질 및 전해액 첨가제이다. LiPF6와 함께 일반적으로 같이 사용되는 전해질은 LiFSI 및 LiPO2F2이며, LiPF6와 병행해서 사용되었을 시 배터리 수명 향상 및 저온 성능 개선의 효과를 기대해 볼 수 있다. 

일론 머스크는 지난 1월말 19 년 4 분기 실적 설명회를 통해 테슬라의 지난해 5 월 맥스웰의 인수가 매우 중요한 퍼즐 조각이 될 것이고 언급한 바 있다 . 맥스웰은 전력 밀도가 높고 작동 수명이 길며 충방전 속도가 매우 빠른 슈퍼캐패시터를 제조하는 회사이긴 하지만 테슬라의 관심은 제조원가를 개선할 수 있는 맥스웰의 건식 전극 (DBE:Dry Battery Electrode) 코팅 기술 에 있는 것으로 보인다 .

기존 전극 공정에서 쓰이는 용매는 Solvent라는 화학적 용매가 쓰이는 습식 전극 코팅 방식을 택하다보니 전극 코팅이 이뤄질 때까지 물리화학적 변형의 우려도 있고, 무엇보다 전극 공정에서 Solvent를 날리는 과정에서 시간 비용을 무시할 수 없었다. 맥스웰 DBE 코팅 기술은 Solvent 대신 건식 파우더로 혼합한 후 필름형태로 만들고 이를 집전체에 바로 올리는 것이다. 맥스웰은 이를 통해 전극을 기존 방식보다 더 두텁게 만들 수 있어서 셀의 에너지밀도를 기존 보다 20~40% 늘어난 kg당 300Wh까지 개선시킬 수 있다고 주장했다. 그리고 Solvent를 날려야 하는 건조 공정을 생략해 공정비용도 감소시킬수 있다고 보았다.

Maxwell의 논문에 따르면 자체 건식전극 코팅방식을 적용할 경우 습식 방식 대비 

① 에너지 밀도를 200~250Wh/kg->300Wh/kg까지 더 높일 수 있고, 

② 2배의 수명 개선 효과가 있으며, 

③ Solvent(용매) free 공정을 통해 생산성을 크게 높일 수 있어 원가 절감 효과가 큰 것으로 분석된다. 

이를 통해 테슬라가 배터리 가격을 내연기관차와의 Price parity로 알려진 kWh당 $100 수준을 달성할 수 있을지에 대한 관심이 쏠리고 있다. 한편으로는 중국 CATL과의 협업으로 LFP(리튬인산철) 배터리로 가격 경쟁력과 장수명(100만mile(약 160만km))을 확보하고 부족한 주행 성능은 Cell-to-pack 기술을 적용해 최대한 끌어올릴 가능성도 있다. 

* 리튬 이온 전지의 구조

양극재. 음극재, 분리막, 전해질로 구성

* 리튬 이온 전지의 원리

충전기를 연결하면 양극재에 +전압이 가해져 리튬에서 전자(-)가 분리됨. 분리된 전자는 음극으로 이동. 

전자를 잃은 리튬 원자는 리튬이온이 됨. 

양전하를 띠게 된 리튬이온이 음극재에 이끌리게 되고 전해질을 타고 리튬 이온만 통과할 수 있는 분리막을 넘어 음극으로 이동

​음극재(흑연)에 리튬이온과 전자를 차곡차곡 저장한 것이 충전. 

(음극재에 흑연이 사용되는 이유는 분자구조가 안정적이어서 리튬이온과 전자를 효과적으로 저장가능하다고 함)

전지를 사용될 때에는 전자가 음극에서 양극으로 이동하면서 전기에너지를 발생 시킴.

리튬 이온도 전해질을 타고 양극재로 이동하는 것

이렇게 양극재에서 리튬이온을 방출, 흡수 하면서 배터리가 방전, 충전됨.