리튬이온 배터리의 원리, 구성요소와 장단점

1. 배터리

우선적으로 리튬이온 배터리에 대한 이야기를 하기 전에 배터리의 기본적인 개념부터 잡고 가자.

 

Bettery- 전기를 담아두는 부품을 일컫는 영어 표현

 

이라 사전적으로 칭하며 화학적으로 전기에너지를 저장하는 방식을 의미한다.

 

배터리는 크게 1차 전지와 2차 전지로 구분되며 여기서 이야기를 조금 전개하여 보면

 

1차 전지는 우리가 일반적으로 다이소나 마트에서 많이 사는 전지로 충전이 안되고 한번 쓰면 버려야 하지만 

 

2차 전지는 충반전이 가능하다 정도의 개념을 잡고 이야기를 진행해 보자

 

2. 리튬이온배터리 리튬이온전지란?

사실 리튬이온전지란 이름을 하도 많이 들어봐서 리튬으로 만드는 배터리겠거니라고 하겠지만 사실

 

 리튬이온 전지가 세상을 바꾼 이유는 다른 배터리에 비해 가볍고 높은 에너지 밀도로 고용량, 고효율 구현이 가능하며 충방전 측면에서 높은 효율을 가진다는 면에서 높은 평가를 받는다.

 

 실제로 기존 내연기관 차량에서는 납축전지를 사용하였지만 현대로 넘어오면서 효율과 수명적인 측면에서 압도적인 장점을 가지고 있다. 기존의 납축전지와의 차이를 비교해 보자면

 

	리튬이온 배터리	납 축전지
재료	리튬,기타금속	납
DOD	85%	50%
사용효율	95%	85%
수명	10~15	3~13년
용량	동일체적대비 10배(리튬이온이 높음)
무게	동일 체적대비 5배(리튬이온이 가벼움)
충전횟수	1000~3000회	500회

 

 위와 같은 형상이 나타나기에 동일체적 대비 10배의 전기를 저장할 수 있고 5배로 가벼운 리튬이온전지가 실제로 무선제품이나 전기차 상용화에 큰 기여를 한 것은 많은 학자들이 동의하는 이야기이다.

 

 물론 이외에도 니케카드뮴 니켈수소 혹은 신배터리라 불리는 것들까지 해야 할 이야기는 많지만 오늘은 차량에서 다루는 배터리가 기준이니 여기까지만 다루고 넘어가자  

3. 리튬이온배터리의 원리

 

 리튬이온전지의 내부 구조는 크게 4가지로

• 양극재[양극] (Positive electrode)
• 음극재[음극] (Negative electrode)
• 전해질[전해액](Electrolyte)
• 분리막(Separator)

으로 구성되어 있다 아래의 구조를 살펴보고 이야기를 진행해 보자

리튬이온 배터리의 4대 요소  출처 삼성SDI

 

사실 뭐 재료역학적으로 하냐 배터리의 부품론으로 보냐 정도의 차이 이므로 부르는 이름의 차이는 그 정도구나 정도를 이해하고 넘어가고 각각의 역할이 가지는 의미에 대해 이야기해 보자

 

자세하게 다루기에는 너무 글이 길어지니 개요정도만 간단히 다루고 각각의 재료역학이나 특이점은 각각의 글로 따로 다뤄보도록 하겠다.

 

양극재

주로 리튬산화 금속으로 이루어져 있으며 전자의 환원 반응이 발생하는 곳이라 이해하지

주로 리튬이온과 전자가 결합하는 곳이다.

 

음극재

주로 흑연 (Graphite), LTO (Lithium-titanion oxide)으로 이루어져 있으며 산화 반응이 발생하는 곳이다.

전자를 내보내는 곳이다.

 

전해질

이온이 이동할 수 있는 통로, 이온전도도가 높아야 하며 화학적으로 안정해야 만한다, 또한 내화성이 매우 높아야 하므로 생각보다 만들이 어렵다. 만들 때는 유기용매와 각종첨가제를 넣은 후 리튬염을 섞어 만든다고만 이해해 두자

 

분리막

양극과 음극의 직접 접촉을 방지는 곳전해질 내의 이온전도만 가능하고 전자 전도를 디펜스 하는 역할

주로 PE (Polyethylene) 분리막과 PP (Polypropylene)을 사용

 

사실 이렇게 써놓으면 너무 어렵지 않은가? 조금 더  화학적으로 접근해 보자

리튬이온 배터리의 충방전 개념

 

각 충방전상황시의 화학적 반응을 먼저 살펴보자

 

 

아래와 같은 화학식을 가지는데 Li의 산화 환원 전압 대비 3~4.5V 사이에 위치하며, 음극의 경우 2~0V 사이에 위치한다. 리튬이온 전지의 경우 양극 전압과 음극 전압차이로 전위차가 나타나 전압이 발생하는데 대략 한 셀당 보통 리튬이온전지의 공칭 전압은 3.7V, 만추에 전압은 4.2V다라는 사실만을 기억하면 된다.

 

리튬이온 배터리의 방전특성

 

그렇다면 전기차에는 어떤방식으로 리튬이온 배터리가 사용될까?

 

지금까지 공부한 개념자체는 리튬이온의 단일 셀에대한 이야기였다.

 

이개념을 잡았다면 이후에 이러한 셀들을 모아서 펙으로 조립한

 

테슬라의 원통형베터리나 현대자동차의 조립형 배터리

 

그리고 배터리팩과 생산기업에 대해서는 다음글에서 다뤄보도록 하겠다.