전기차 배터리 프리뷰[정의, 구조, 작동 원리, 성능지표]

 

배터리는 화학 에너지를 전기 에너지로 변환하고 저장하는 장치입니다.

배터리가 중요하고 배터리가 돈이 된다라고 하지만 배터리가 정확히 뭘까요?

 

"a set of two or more cells electrically connected for the purpose of storing electrical energy and delivering it when needed." 

 

국제 표준인 IEC 60050(국제 전기기술 용어집)에서 규정한 바에 따르면 위와 같이 정의합니다.

 

 "전기 에너지를 저장하고 필요 시 이를 공급하기 위해 두 개 이상의 셀을 전기적으로 연결한 장치"

 

정도로 정의 할수있겠네요, 결론만 놓고 보면 전기를 공급해 주는 장치 정도로 이야기할 수 있습니다.

배터리의 구조 및 구성 요소

자 배터리의 정의를 이야기했으니 가장 그렇다면 배터리는 뭐로 구성되어 있을까요? 제블로그 다른 글에서도 다뤘지만 배터리는 양극 음극 전해질 분리막 외에도 몇몇 개의 구성요소로 이루어져 있습니다 하지만 오늘은 가볍게 다뤄보죠

전극

양극(Positive Electrode)

 

양극은 배터리의 방전 시 전자가 방출되는 전극입니다.

일반적으로 리튬 이온 배터리에서는 리튬 금속 산화물(예: LiCoO₂, LiFePO₄)이 사용된다. 양극 소재는 에너지 밀도와 안정성, 충·방전 수명에 직접적인 영향을 미치기에 이비율에 따라 mcn 811등의 이름으로 배터리를 부르죠 뭐 분자구조부터 이야기하려면 너무 많아지긴 하지만 우선은 양극재가 굉장히 중요하다 정도만의 개념을 가지시면 됩니다. 

 

음극(Negative Electrode)

 

음극은 충전 시 전자를 받아들이는 전극입니다. 일반적으로 흑연(Graphite)이나 실리콘(Silicon) 기반 소재가 사용됩니다. 고용량 음극 소재로 연구되고 있는 실리콘은 높은 에너지 밀도를 제공하지만, 충·방전 과정에서 부피 팽창이 발생하여 전극의 구조적 손상을 초래하고 수명에 영향을 미칠 수 있습니다. 양극재에 비해 음극 소재는 상대적으로 안정된 방식으로 연구되고 있지만, 여전히 실리콘의 부피 팽창 문제와 이를 해결하기 위한 소재 개발이나 효율성 증대가 연구되는 중이죠

전해질(Electrolyte)

전해질은 배터리에서 양극과 음극 사이에서 이온을 전달합니다. 이온의 이동을 통해 전기 회로가 완성되며, 전기화학 반응을 진행할 수 있는 통로 보시면 되겠네요.

현대의 배터리에서 주로 사용되는 전해질은 액체 형태입니다. 액체 전해질은 유기 용매와 리튬 염으로 구성되어 높은 이온 전도성을 제공하며, 상용 리튬 이온 배터리의 대부분에 적용됩니다.

반면, 최신 기술로 주목받는 고체 전해질은 고체 상태의 물질로 구성되어 안전성이 높고 화재 위험이 적습니다. 그러나 제조 공정의 복잡성과 비용 절감이 해결해야 할 과제로 남아 있어 일부 연구에서는 반고체 형태의 전해질로 전환을 제안하기도 합니다.

전해질의 본질적인 역할은 이온의 원활한 이동을 지원하는 역할 이지만, 전해질은 잘못 설계되거나 손상될 경우 화재 발생의 원인이 되기도 하며, 심지어 가스문제까지도 따라오기에 그만큼 중요성이 높습니다.

분리막(Separator)

분리막은 배터리 내에서 양극과 음극을 물리적으로 분리하면서도, 이온은 통과할 수 있도록 설계된 구성 요소입니다.

주로 전기적 단락(short circuit)을 방지하여 안전성을 확보하고, 이온 전도성을 지원하죠, 일반적으로 폴리머 필름(Polyethylene, Polypropylene)이 사용되며, 최신 기술에서는 고성능 세라믹 코팅이 추가된 분리막이 개발되어 더욱 향상된 열 안정성과 전기적 안전성을 제공하는 방향으로 나아가고 있습니다. 

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배터리의 작동 원리

배터리는 충·방전 과정을 통해 에너지를 저장하고 방출하며, 이는 전기화학적 반응에 기반을 둔 에너지 변환 과정입니다.

충전 시 외부 전원이 연결되면 전자는 외부 회로를 따라 음극으로 이동하고, 동시에 양극에서 리튬 이온이 전해질을 통해 음극으로 이동합니다. 음극에 도달한 리튬 이온은 전자를 받아 저장됩니다. 이 과정에서 화학적 에너지를 축척하는 것이죠.

반대로 방전 시에는 리튬 이온이 음극에서 양극으로 이동하며, 전자는 외부 회로를 통해 전기를 공급합니다. 이때 저장된 화학 에너지가 전기 에너지로 변환되어 활용합니다.

배터리의 성능을 나타내는 지표

이러한 원리를 가지는 배터리의 성능은 다양한 지표를 통해 평가되며, 이는 배터리의 용도 및 요구사항에 따라 중요한 기준이 됩니다. 가장 일반적으로 사용되는 지표는 에너지 밀도, 출력 밀도, 충·방전 효율, 사이클 수명, 자가 방전율 등을 고려해야 하며 각요소가 유기적인 영향을 끼치기에 꽤나 복잡해집니다. 우선은 간단하게 프리뷰만을 다뤄보죠

 

에너지 밀도 (Energy Density)

 

단위 부피 또는 단위 중량당 저장할 수 있는 에너지의 양을 나타냅니다. 높은 에너지 밀도는 배터리가 더 많은 에너지를 저장할 수 있음을 의미하며, 전기차와 같은 장치에서 주행거리를 늘리기 위해 매우 중요한 요소입니다.

 

출력 밀도 (Power Density)

 

단위 시간당 배터리가 제공할 수 있는 에너지의 양을 나타냅니다. 고출력 밀도는 배터리가 빠르게 에너지를 방출할 수 있음을 의미하며, 이는 전력 도구나 전기차의 가속 성능에 영향을 미칩니다.

 

충·방전 효율 (Charge/Discharge Efficiency)

 

배터리가 충전 시 저장한 에너지 대비 방전 시 사용할 수 있는 에너지의 비율을 나타냅니다. 높은 충·방전 효율은 에너지 손실이 적고 배터리가 더 효율적으로 작동함을 의미합니다

 

사이클 수명 (Cycle Life)

 

배터리가 충·방전을 반복할 수 있는 횟수를 나타냅니다. 이는 배터리의 경제성과 장기적인 신뢰성을 평가하는 데 중요한 지표입니다. 일반적으로 충·방전 사이클이 많을수록 배터리의 내구성이 높습니다

 

자가 방전율 (Self-Discharge Rate)

 

배터리가 사용되지 않을 때 스스로 에너지를 잃는 비율을 나타냅니다. 낮은 자가 방전율은 장시간 보관 후에도 배터리가 안정적으로 에너지를 유지할 수 있음을 의미합니다.