리튬이온 전지의 충방전 곡선과 분극현상

 

리튬 이온 전지의 성능을 이해하기 위해서는 충전 및 방전 과정에서 발생하는 전압 변화에 주목할 필요가 있다. 특히, 충전 시 전압이 OCV(Open Circuit Voltage, 개방 회로 전압)보다 높아지고, 방전 시에는 OCV보다 낮아지는 현상은 분극현상(Polarization) 때문인데 오늘은 이에 대해 알아보자.

분극현상이란?

 분극현상은 전지가 작동할 때 전극의 계면에서 발생하는 여러 현상을 말한다. 이는 반응 지점의 농도 변화, 피막 형성 등의 요인으로 인해 발생하는데, 이로 인해 전압 손실이 발생하며, 이를 과전압(overpotential) 또는 분극전압이라고 칭한다. 과전압이 클수록 전류를 얻기 위해 더 큰 전압이 필요하게 되며, 이는 곧 전지의 효율과 성능에 영향을 미친다. 따라서, 전지 성능을 향상시키기 위해서는 과전압 손실을 최소화하는 것이 중요하다.

전지의 전압과 과전압의 관계

전지의 실제 전압은 OCV와 과전압의 합으로 설명될 수 있다. 이는 다음과 같은 수식으로 설명할수있는데

과전압손실=활성화 과전압+물질전달 과전압+ohmic 과전압

과전압은 다음과 같은 세 가지 요소를 살펴보자면 다음과 같다.

1. 활성화 과전압: 전기화학 반응을 개시하기 위한 에너지 장벽을 극복하는 데 필요한 전압
2. 물질 전달 과전압: 전지 내부의 이온이나 전자의 이동 과정에서 발생하는 전압 손실
3. 오믹 과전압: 전극, 전해질 및 기타 전기적 구성 요소의 저항으로 인해 발생하는 전압 손실

이 세 가지 과전압은 전지의 전압 손실을 초래하며, 특히 방전 시 기전력(OCV)보다 낮은 전압이 출력된다. 방전 속도가 빠를수록 전압은 더 큰 폭으로 떨어지게 되는데, 반대로, 충전 시에는 OCV보다 높은 전압이 출력되며, 충전 속도가 빠를수록 전압은 더 크게 상승한다.

방전 과정에서의 전압 변화

방전 시, 음극 활물질 내부의 리튬 농도가 감소하면서 음극 전압이 증가하고, 양극 활물질 내의 리튬 농도가 증가하면서 양극 전압이 감소한다. 이로 인해 배터리 전체의 셀 전압이 감소하게 된다. 즉, 방전률이 낮을수록 과전압 손실이 작아져 방전 전압이 높아지고, 방전 용량은 공칭값에 근접하게 된다. 반대로, 방전률이 높을 경우 과전압 손실이 증가하고 방전 용량이 줄어들게 된다.

온도가 배터리에 미치는 영향

온도 역시 리튬이온 전지의 성능에 중요한 영향을 미칩니다. 매우 낮은 온도에서는 내부 저항이 증가하여 비가역적인 용량 감소와 내부 단락 가능성이 높아진다. 반면, 높은 온도에서는 화학적 부반응이 증가하여 전지의 퇴화(용량 감소 및 저항 증가)와 열폭주(thermal runaway)의 위험이 발생할 수 있다. 이는곧 테슬라의 사태에서 확인해볼수있는데 온도가 영하 20도까지 떨어졌을때 대부분의 차량이 주행이 멈춘것을 예로 보면 쉽게 알수있을것이다.