리튬이온배터리 원리가 궁금해

 오늘은 일상 속에서 이제는 없어서는 안 될 꼭 필요한 존재가 된 배터리에 관해 설명을 드리고자 합니다.

 

최근에 배터리 폭발로 크게 사회 이슈가 되었던 적도 있습니다. 스마트폰, 노트북, 태블릿 PC 뿐만 아니라 보조배터리도 들고 다니는 요즘에 배터리란 무엇이며, 어떤 종류가 있는지, 그리고 리튬 이온 배터리의 특징과 리튬 이온 배터리를 구성하는 요소와 원리 순으로 진행할 예정입니다.   

 

 배터리(Battery) 즉, 전지는 1차 전지와 2차 전지로 분류할 수 있으며 1차 전지는 '한 번 방전되면 충전해서 재사용할 수 없는 전지'를 의미하며, 대표적인 예로는 망간 건전지, 알카라인 전지, 수은 전지가 존재합니다. 2차 전지는 방전된 후에도 충전을 통해서 다시 사용할 수 있는 전지'로서 '배터리=2차 전지'를 의미합니다. 그 예로는 납 축전지, Ni-Cd 전지, 리튬 2차 전지가 있으며, 리튬 2차 전지 즉, 리튬 이온 배터리에 대해 알아보겠습니다. 

 

 

 왜 하필 리튬 이온 배터리 인가? 그 이유는 크게 4가지 특성으로 알 수 있습니다. 

•  높은 에너지 밀도(160Wh/kg)   => 조금 전의 Ni-cd 배터리의 2배, 납 축 배터리의 6배에 해당합니다.
• 높은 전압(3.7V) => Ni-cd 배터리(1.2V) 보다 높은 출력 구현이 가능합니다.
• 환경 친화적 => 카드뮴, 납, 수은 등 환경 규제 물질을 포함하지 않습니다.
• 긴 수명 주기 => 500회 충전과 방전 반복 사용 가능합니다. 

추가적으로, 리튬이온은 주기율표 1족, 2주기에 속하는 알칼리 금속원소로서, 최 외각 전자가 1개로서 전자를 떼어 내기가 쉽습니다. 따라서 전자를 잃으려는 이온화 경향이 크고 즉, 산화하려는 성질이 크다고 볼 수 있습니다.

 

 

 리튬 이온 배터리의 구성 요소는 Cathode, Anode, Electrolyte, Separator 4가지이며, 한국어로 양극, 음극, 전해질, 분리막의 의미를 갖습니다.  활물질은 산화 환원 반응에 기여하는 전극 물질을 의미하며, 역할과 특징 중심으로 요약하였습니다.     

Cathode(양극) 

• 역할: 양극 활물질은 리튬 이온 배터리에서 용량과 전압을 결정 => 음극은 종류에 따라 전위의 차이가 작은데 반해, 양극은 상대적으로 차이가 크기 때문에 양극이 배터리 전압을 결정짓는 중요한 역할을 합니다. 

• 특성: 양극 활물질에 있는 리튬이, 리튬 이온으로 녹아들어 가는 양은 활물질의 종류에 의해 결정 => 리튬 산화물을 종류에 따라 전지의 용량이 달라지며 전압도 결정됩니다. 

Anode(음극)

• 역할: 음극 활물질은 양극으로부터 나온 리튬이온을 흡수, 방출하면서 외부회로를 통해 전자를 흐르게 하여 전기를 발생시키는 역할을 합니다.

• 특성: 음극 활물질로 사용되기 위해서는 안정성, 낮은 전자 화학적 반응성, 저렴한 가격 조건이 고려됨 => 리튬 이온을 많이 저장할 수 있는 능력이 가장 중요시 되며, 음극 활물질로는 대부분 안정적인 구조를 지닌 흑연(Graphite)이 사용됩니다.

Electrolyte

• 역할: 전지 내부의 양극과 음극 사이에서 리튬이온이 이동할 수 있도록 매개체 역할을 합니다.

• 특성: 전해질은 이온들만 이동시키고, 전자는 통과하지 못한다 => 전해액은 리튬이온이 쉽게 이동할 수 있도록 점도가 낮아야 하고, 전지 구성성분과는 반응을 하면 안 되며, 전해액의 사용 온도 범위가 넓어야 한다.

Separator

• 역할: 양극과 음극을 물리적으로 분리하여, 전자가 직접 흐르지 않도록 하고, 내부의 미세한 구멍을 통해 이온이 이동할 수 있게 만들어, 전하의 흐름이 가능하게 하는 역할을 합니다.

• 특성: 높은 이온 전도성을 위해 다공성을 지녀야 하며, 구멍들의 크기가 균일해야한다.

 

 산화 환원 반응의 원리로 작동이 되며, 한쪽에서 산화가 이루어지면 동시에 다른 쪽에서 환원이 진행되면서 리튬 이온과 전자가 이동을 하게 됩니다. 즉, 충전과 방전 시, 전자는 연결된 도선으로, 리튬 이온은 전자는 통과 못하고 이온만 통과 가능한 분리막을 통과하여 이동 함으로써 배터리가 작동되는 것이 오늘날의 스마트폰 및 각종 전자기기에 사용되는 리튬 이온 배터리입니다.  

 

 

 

 이번 포스트는 현대인에게 없어서는 안 될 존재가 된 배터리가 무엇으로 구성되고 작동되는지 관해 조금 깊이 있게 알아보았습니다. 조금이나마 도움이 되셨기를 바라며, 오늘도 좋은 하루 되십시오.