리튬이온 전지의 방전과 충전[리튬이온 전지 화학식]

 

 

리튬이온 배터리의 주요 형태와 구성요소[양극,음극,전해질,분리막]

 

리튬이온 전지의 내부 구조는 이전 글에서 설명한 바와 같이 양극재, 전해질, 분리막, 음극재로 구성되어 있다. 여기서 회로에 전기를 흘리느냐 혹은 받아들이냐에 따라 충전과 방전과정이 정해지며 이과정은 아래와 같이 단순화할 수 있다.

출처-베터리 인사이드

방전 과정

 방전은 리튬이온 전지가 에너지를 외부 회로에 공급하는 과정이다. 이때 전지는 전자의 흐름을 통해 전력을 제공하게 되는데, 이는 리튬이온과 전자의 이동으로 설명할 수 있다.

음극에서의 산화 반응

 방전이 시작되면, 음극에 저장된 리튬이온(Li⁺)은 그래파이트(흑연) 구조 내에 있던 상태에서 전자를 방출하면서 분리된다. 이때 음극의 전압은 증가하며,  이 반응을 산화 반응이라고 부르고, 다음과 같이 나타낼 수 있다.

 

 여기서 전자는 외부 회로를 통해 양극으로 이동하고, 리튬이온은 전해질을 통해 분리막을 통과하여 양극으로 이동한다. 이때0V에서 1V로 상승하게 된다

 

양극에서의 환원 반응

 

 양극에 도착한 리튬이온은 양극 활물질(일반적으로 금속 산화물, 예: LiCoO₂)과 결합하면서 전자를 받아들인다. 이 과정에서 양극의 전압은 감소하게 되며, 전체적인 전지의 전압이 낮아진다. 이 반응은 환원 반응으로 설명할 수 있으며, 다음과 같이 나타낼 수 있다

 

 이​러한 과전에서 전압이 4.5에서 2.5V로 감소하게 된며, 양극의 전압은 감소하고 음극의 전압은 증가하여 배터리의. 전체 전압이 낮아져 외부에 전기를 공급하게 된다.

충전 과정

충전 과정은 방전 과정의 역순으로 진행된다. 양극 계면에서 산화 반응을 통해 리튬이온과 전자가 분리되며, 이때 리튬이온은 전해질을 통해 분리막을 투과하여 음극으로 이동하고, 전자는 양극 집전체를 통해 외부 회로를 거쳐 음극으로 이동한다.

 

충전 중 양극의 전압은 3.5V에서 4.5V로 증가하고. 양극에서 이동한 리튬이온과 전자가 음극 활물질과 전해질 계면에서 결합하면서 환원 반응이 발한다. 이때 음극의 전압은 1V에서 0V로 감소하게 된다.

 

결과적으로, 충전 시에는 음극의 전압이 감소하고, 양극의 전압은 증가하게 되며, 양극 전압의 증가량이 음극 전압의 감소량보다 크기 때문에 배터리의 전체 전압이 증가하게 된다.