전기차 배터리 기초[전극의 전압: 전기화학적 원리와 리튬이온 전지의 적용]

 

 

 일반적으로 우리가 사용하는 전지는 산화반응과 환원반응에 의해 전압이 결정된다. 이러한 것을 다루는 학문을 전기화학이라 칭하며, 전기화학을 활용한 전지에서는  반응의 경향성과 강도에 따라 전지의 세부적인 스펙이 나뉘게 된다.

산화와 환원: 전자의 이동과 전압 형성

산화는 물질이 화학 반응에서 전자를 잃는 현상이다. 전자는 전극의 표면에서 방출되어 외부 회로로 이동한다. 전자가 방출된 전극은 전자 수가 감소하여 양전하를 띄게 되는데, 일반적으로 전기화학에서는 이러한 반응이 전극 표면에서 일어나며, 이 전극을 산화 전극(Anode) 또는 음극(Negative electrode)이라고 칭한다.

 

반면에, 환원은 물질이 화학 반응에서 전자를 받아들이는 현상이다. 전자가 방출된 다른 전극에서 흡수되어 물질이 전자 수를 증가시킴으로써 음전하를 띄게 된다. 이 전극을 환원 전극(Cathode) 또는 양극(Positive electrode)이라고 부른다.

 

 

 

이러한 반응을 통틀어 레독스(Redox) 반응이라 칭하며 이는 좀 더 직관적으로 산화환원 반응이라는 말로 불린다, 결론적으로 하나의 물질이 다른 물질로부터 전자를 주고받으며 물질의 성질이 변화하는 반응을 통칭해 레독스라 칭한다고 이해하자

전기화학적 계면과 전압 형성

전기화학에서 이러한 반응들이 주로 일어나, 전압이 형성되는 장소는 계면(interface)이다.

 

계면은 두 상이 만나는 경계면으로, 전기화학에서는 전극(고상, solid-phase)과 전해질(액상, liquid-phase)이 만나는 곳에서 형성되는데, 이 계면에서 산화 환원 반응이 일어나며, 전자가 전극 사이를 이동하게 된다. 조금 더 예시를 들어보자면

 

아연(Zn) 전극을 황산아연(ZnSO₄) 수용액에 담그면 아연 전자가 방출되어 전해질로 이동한다. 이로 인해 아연 전극의 전자가 감소하여 음전하를 띄며, 음극(Anode)으로 작용하게 된다.

 

반대로, 구리(Cu) 전극을 동일한 황산아연 수용액에 담그면 구리 이온(Cu²⁺)이 전자를 받아 구리 전극 표면에 전착된다. 이는 구리 전극이 양전하를 띄며, 양극(Cathode)으로 작용하게 된다.

전극의 전위와 기준 전극

 

전극의 전위는 항상 상대적입니다. 따라서 전극의 전위를 비교하려면 기준이 되는 전극이 필요하다. 일반적으로 전기화학에서는 기준 전극(Reference Electrode)을 사용하여 다른 전극의 전위를 측정하며, 대표적인 기준 전극으로는 수소 전극(Standard Hydrogen Electrode, SHE)과 수은/염화수은 전극(Calomel Electrode) 등이 있다.

 

 

 위 시스템이 물을 전해질로 사용했지만 우리가 많이 사용하는 리튬이온 전지와 같은 고전압 시스템에서는 전압이 4V 이상으로 상승할 때 물의 전기분해가 일어날 수 있다.

 

 이를 방지하기 위해, 리튬이온 전지에서는 유기 전해질(organic electrolyte)을 사용하며, 이와 같은 시스템을 비수계(non-aqueous) 시스템이라고 칭한다.

 

리튬이온 전지의 경우, 리튬 금속(Li)과 리튬 이온(Li⁺)이 평형을 이루는 표준 전극을 사용한다.