이차전지 원리 최대한 쉽고 상세하게 알려드립니다.

2차 전지 이해를 위한 기본지식

이차전지는 전기화학지식을 기반으로 만들어진 전자를 저장 또는 필요시 방출할 수 있는 저장장치를 의미합니다. 중요성이야 더 말할 필요 없이 다양한 분야에 쓰이고 있습니다. 과거에는 휴대용 전자기기나 노트북등  전기. 전자장치의 구동을 위해서 필수적으로 사용했지만, 최근에는 그 효율과 충전속도등의 개선을 통해 전기차의 에너지원으로 없어서는 안 되는 존재가 되었습니다.

우선 이차전지를 이해하기 위해서 첫 번째로 가장 기본이 되는 원소인 '리튬'에 대해서 알아보겠습니다.

ㅁ2차 전지
- 전기를 충전하여 필요시 사용하고, 다시 충전하여 재사용이 가능한 전지

 

리튬은 무엇인가?

현재 가장 널리 사용되는 2차 전지는 리튬을 이용하고 있습니다. 그러니 기본적으로 '리튬'이란 금속에 대해서 알아야 할 것 같습니다.

간단한 화학지식을 한번 소환하겠습니다. 바로 원소주기율표입니다.

 

ㅁ주기율표
- 세상에 존재하는 원소와 인위적으로 만들어진 원소에 대해서 원자번호와 화학적 특성에 따라 나열한 표


리튬의 원자번호는 3번, 주기율표상에 1족에 속하는 원소입니다. 1족의 원소들의 성질은 최외각에 전자를 하나만 하지고 있어서 전자를 잃기 쉬운 성질을 가지고 있습니다. 원소가 원자핵 주위를 전자가 돌고 있고, 전자들은 몇 겹의 형태로 둘러싸여 있는데, 뭐 그런 것까지 말씀드리면 길어지니 우리가 기억할 것은 1족의 원소들은 전자를 잃기 쉬운 성질을 가진다는 것,  바로 이사실이 중요합니다.

덧붙이면 리튬은 반응성이 매우 강하고 무른 재질이며, 밀도가 낮은 성질을 가지고 있습니다. 수분과의 반응성이 강한 성질 탓에 화재가 나서 물로 소화가 어렵다는 단점도 있지만 배터리를 위해 전자를 분리해 내기 위한 재료로는 최적이라고 할 수 있습니다.

 

Cathode(캐소드)와 Anode(애노드)

2차 전지는 크게 양극재(Cathode), 음극재(Anode), 전해질(Electrolyte), 분리막(Separator)으로 구성됩니다. 우선 이중 양극재와 음극재에 대한 내용을 알고 가야 합니다.

ㅁ양극재(Cathode)
양극재는 전극 중에서 전류가 흘러나오는 부분을 말하는데, 전류와 전하(electron, e-)의 방향은 반대이니 전하가 흘러들어 가는 곳을 말합니다. 배터리가 방전 시 즉 전류를 공급할 때 전류가 흘러나오는 +극을 Cathode라고 기억하시면 됩니다.

ㅁ음극재(Anode)
음극재는 전극 중 전류가 들어가는 -극을 의미하므로 전하는 반대로 흘러나오는 전극을 의미합니다.

이차전지에 충전 시에는 위의 방향과 반대방향으로 현상이 발생되니 항상 헷갈리지 않으려면 배터리의 방전을 기준으로 전류가 나오는 곳, 양극(+)이 양극재(캐소드), 음극(-)이 애노드라고 기억하시면 편리합니다.


ㅁ전해질(Electrolyte)
전해질은 전자와 분리된 리튬이온(Li+)이 이동하는 매질입니다. 이온이나 전류가 흐를 수 있는 매질을 뜻하며, 2 차전지용 전해질에는 주로 리튬과 플루오린(F), 인(P), 산소(O2)등으로 구성되어 있습니다.

ㅁ분리막(Separator)
분리막은 이온화된 리튬을 을 걸러주는 거름막 같은 필름입니다. 주로 폴리에틸렌(PE)나 폴리프로필렌(PP) 재질을 이용합니다. 필름을 확대해 보면 리튬이 이동하기 위한 구멍이 있는 다공성필름으로 구멍을 만드는 방식에 따라 건식분리막과 습식분리막으로 구분됩니다. 분리막은 양극음극이 접촉하는 것을 막아주는 역할을 하면서 리튬이온만 통과시키는 역할을 하는데 외부충격이나, 덴드라이트(수지상정) 또는 분리막 제조상의 결함이 있을 경우 양극. 음극 접촉으로 전류가 갑작스레 다량 이동하면서 화재로 이어질 수 있습니다. 그래서 이를 보완하기 위해서 세라믹파우더를 코팅하여 안전성을 강화하는 방법을 택하기도 합니다.

충전. 방전 시 전자의 이동 메커니즘

자 이제 본격적으로 이차전지 내에서 전하의 이동에 대해서 살펴보겠습니다.

 

ㅁ충전 시 거동

충전 시에는 외부에서 전압을 걸어 전류를 흘려주게 되면 전류는 양극(+,캐소드)으로 흘러가고 반대로 전하는 음극(-, 애노드)으로 모이게 됩니다. 음극에 전하(electron)들이 집결하면 전해액에 떠돌던 리튬이온들이 전하들과 결합하기 위해 음극(애노드)으로 이동하게 됩니다.

 

아래 도식은 리튬인산철(LiFePO4) 배터리를 기준으로 나타내었습니다.

 

일반적으로 음극재는 현재 탄소로 구성된 흑연(graphite)을 주로 이용하며 최근에는 전기밀도 개선을 위해 실리콘(Si)을 섞어 사용하고 있습니다.
아무튼 전하들이 애노드로 들어오면 밀집한 리튬이온과 탄소들이 결합하여 안정된 상태를 유지하게 됩니다. 음극재인 흑연사이에 리튬을 품어주면서 반응성이 강한 리튬을 안전하게 저장할 수 있게 됩니다. 나중에 다루겠지만 일본의 화학자인 '요시노 아키라' 교수는 흑연성분의 코크스에 리튬을 저장하는 방법을 발견하여 노벨상을 받기도 했습니다.

 

 

ㅁ 방전 시 거동

 

방전 시에는 충전 시 음극재에 숨었던 리튬이 전자를 분리해 내고 이때 발생된 전자들이 캐소드로 이동하게 됩니다. 따라서 전류는 캐소드(양극)에서 발생되게 되고, 이는 모터를 거처 애노드(음극)로 들어오게 됩니다. 애노드에서는 전자와 분리된 리튬이온들이 전하가 몰려드는 양극으로 다시 원대복귀를 안정적인 상태를 유지하게 됩니다.
양극재의 구성 재료가 무엇인가에 따라서 리튬인산철 배터리 또는 니켈, 망간, 코발트배터리(NMC), 니켈, 코발트, 알루미늄배터리(NCA), 니켈, 코발트, 망간, 알루미늄배터리(NCMA) 등으로 나눠지게 됩니다. 이런 조성을 '케미스트리'라고 부릅니다.

양극, 음극의 재료학적인 측면의 구조를 보게 되면 판상형에 가까운 형태로 쉽게 말해서 리튬이 들어앉을 공간을 얼마나 효율적으로 만들어져 있는가에 따라 에너지 밀도가 좌우됩니다. 전하는 리튬에서 분리되어 만들어지기 때문에 리튬을 보다 많이 품을 수 있는 구조일수록 에너지 밀도가 높게 됩니다. 에너지 밀도가 높다는 것은 동일한 사이즈에서 만들어낼 수 있는 전하의 양이 많다는 의미이므로 더 많은 일을 할 수 있게 되는 것입니다.

 

Summary

이차전지는 전하는 저장했다가 필요시 사용하고, 다시 충전해 사용할 수 있는 전지를 말한다. 원리는 리튬에서 분리된 전하를 모았다가 방출하는 데 있다. 충전 시에는 양극재의 리튬이 분리되어 음극재(흑연)로 이동된 전하들을 품고 있다가 모터등으로 방전 시에는 역방향으로 음극에 있던 전하들이 양극으로 이동하면서 일을 하게 된다. 

 

쓰다 보니 너무 장황해졌네요.