2차전지 동작원리를 낱낱이 파헤쳐 보자!!

2차 전지란 무엇인가?

2차 전지

전지는 크게 한번 사용하면 재상용이 불가능한 전지인 1차 전지와 충전과 사용을 통해 재사용이 가능한 2차 전지로 나눌 수 있다.  2차 전지의 종류에는 용융염 배터리, 니켈 카드뮴 배터리, 전고체 배터리, 리튬-황 배터리, 리튬이온 배터리로 구분되지만 여기서 많이 설명하는 배터리는 리튬이온 배터리로 리튬을 주 소재로 하여 만들어진 전지로 스마트폰을 비롯한 휴대기기, 전기자동차 등에 사용된다. 리튬이온 배터리의 장점은 높은 에너지 밀도를 가지고 있어 소형화가 가능하고 메모리 효과가 없어 수시로 충전하여도 어느 한계까지는 용량이 줄어들지 않는다. 단점으로는 매우 불안정해 충격을 받게 되면 폭발 위험성이 높고 가격이 비싸다. 계절에 따른 성능 차이가 발생한다. 

2차 전지의 동작 원리 

2차 전지의 핵심이 되는 물질이 '리튬이온'이도 이 리튬이온 배터리 안에는 4가지의 구성 요소가 있다. 

양극재, 음극재, 전해액, 분리막 이렇게 4가지가 있다.

양극재의 역할

첫 번째 리튬 산화물로 구성된 양극재는 주로 배터리의 용량, 즉 사용시간에 큰 영향을 미친다. 리튬을 많이 포함하면 용량이 커지게 되고 음극과 양극의 전위차가 크면 전압이 커진다. 양극이 배터리 전압을 결정하는데 중요한 역할을 한다. 재료비에서 차지하는 비중이 가장 높다.

<양극 활물질 종류와 장단점>

종류	LCO	NCM	NCA	LFP
활물질	LiCoO2	Li(NiCoMn)O2	Li(NiCoAl)O2	LiFePO4
우수 특성	용량	용량	용량/출력	안전성
적용 제품	IT Device	EV, ESS	Non-IT, EV	Non-IT, EV

 

두 번째 흑연으로 구성된 음극은 양극에서 나온 리튬 이온을 저장했다가 방출하면서 전류를 흐르게 한다. 음극은 배터리 수명에 큰 영향을 끼친다. 음극 활물질의 특성에 의해 구조적 안전성, 낮은 전자 화학 반응성, 리튬이온을 많이 저장할 능력, 저렴한 가격을 갖추었다.

 

세 번째 전해액은 양극의 리튬이온이 음극으로 이동할 수 있는 매개체 역할을 한다. 리튬이온을 이동시킬 수 있도록 이온전도도가 높은 물질을 주로 사용하고 전해액의 종류에 따라 리튬이온의 움직임이 둔해지기도, 빨라지기도 한다.

 

 마지막으로 분리막은 양극과 음극이 직접적으로 접촉하는 것을 방지해 주는 역할을 한다. 

양극과 음극이 배터리의 기본 성능을 결정하는 구성요소라고 하면 전해액과 분리막은 배터리의 안전성을 결정하는 구성 요소이다. 

 

배터리 내부에서 이 구성요소들이 어떤 화학반응을 통해 작동하는가?

리튬이온 배터리는 1회용 건전지와 다르게 재사용이 가능한 2차 전지의 한 종류이다. 재사용이 가능한 이유는 충전과 방전 반응 덕분이다.

충전과 방전이란 

충전은 양극의 리튬이온이 음극 쪽으로 들어가는 과정이다. 이때 리튬이온과 전자과 함께 움직이는 것이 아니다. 리튬이온은 전해액을 통해 음극으로 이동, 전자는 음극과 양극을 연결한 도선을 통해 이동한다. 이렇게 충전하는 과정은 나중에 사용할 에너지를 저장하는 것이다. 양극의 리튬이온과 전자가 음극으로 모두 이동하게 되면 우리는 배터리가 완충되었다고 한다. 배터리 충전이 다 되면 사용하는 일만 남았다. 

배터리를 사용하기 시작하면 배터리 내부에서는 방전 반응이 일어나게 되는데 이 반응은 충전의 역반응이라 생각하면 된다. 충전을 통해 음극으로 이동해 있던 리튬이온과 전자를 양극으로 이동시켜 에너지를 방출하는 것이다. 

이 에너지를 활용해 스마트폰을 동작시키거나 전기자동차를 움직일 수 있다. 

요약

리튬이온 배터리 구성 요소 : 양극, 음극, 전해액, 분리막

충전 : 양극의 리튬이온과 전자가 음극으로 이동

방전 : 음극으로 이동한 리튬이온과 전자가 다시 양극으로 이동