※ 블로그 다른 글에 여러번 언급 드렸지만, 저는 공대생도 아니고 주식쟁이입니다. 작성하는 글은 언제까지나 투자자의 관점에서 기술을 이해하려는 글입니다.
요즘은 길거리에 돌아다니는 전기차도 자주 보이고, 이제 리튬이온 배터리를 넘어 수소연료전지나 전고체 전지가 나온다는 시점에서 다소 뒷북 느낌이 있지만... 어차피 짚고 넘어가야 하는 내용인 것 같아 2차전지 관련된 원리를 전반적으로 정리 해 보았습니다.
2차전지 관련 국내 설명 자료를 찾아보면 가장 많이 눈에 띄고 먼저 발견하게 될 사진입니다. 배터리의 전체적인 구조입니다. 사진을 제대로 이해하기 위해서는 배터리의 동작 원리를 알아야 합니다.
전기 에너지는 전자의 이동입니다. 화학 반응을 통해 전자가 한 쪽에서 다른 쪽으로 이동하며, 그 경로에 전기가 흐르게 됩니다. 원소중에서는 전자를 잃기 쉬운 불안정한/반응성이 높은 원소들이 있습니다. 2차전지에 사용되는 리튬이 그러한 원소입니다. 리튬이온전지의 기본 원리는, 리튬이 전자를 잃어버리는 과정을 잘 제어하고, 그 과정에서 움직이는 전자를 사용해 전기를 만드는 것입니다.
아래 그림의 좌측은 ElectroChemical Series의 일부입니다. 원소별로 전자를 잃기 쉬운 성향에 따라 위에서 아래로 배열한 표인데, 리튬(Li)은 전자를 잃기 아주 쉬운(반응성이 높은) 원소입니다. 그리고 흔히 음극재로 사용되는 구리(Copper, Cu)는 그 반대 측에 위치해있습니다.
볼타는 전자를 잃기 쉬운 아연과, 그 반대인 은을 여러 층 쌓아 최초의 전지를 개발하기도 했습니다. 리튬이온 전지의 원리도 비슷합니다.
전지가 최초 완전히 방전된 상태에서는, 양극 부분에 리튬은 안정된 화합물 형태, 즉 전자를 이미 잃은 형태로서 존재합니다. 아래 그림에서 녹색 동그라미가 리튬 원소, 파란색이 전자입니다. 왼쪽 양극에 안정된 화합물 형태로 리튬이 존재합니다. 가운데 파란색은 전해질입니다.
이 상태에서 전기적 에너지를 가해주면, 리튬이온은 다시 전자를 가지고 음극으로 이동하게 됩니다. 전지가 완전히 충전된 상태는 양극에 있던 리튬 이온이 전부 음극으로 넘어가 불안정한 상태입니다. 아래 그림은 리튬이온 전지가 완전히 충전된 상태입니다.
사이의 파란색 블럭은 전해질을 표현한 것인데요, 전해질은 리튬 이온이 원활하게 이동할 수 있게 하면서도 전자는 통과하지 못하게 합니다. 음극에 있던 불안정한 리튬이온이 다시 양극의 안정된 상태로 돌아갈 때, 리튬이온은 전해질을 통과해 가지만, 전자는 음극과 양극을 잇는 전선을 타고 움직이며 전기를 만들게 됩니다. 여기서 핵심은 전자의 움직임을 배터리 내부가 아니라 외부를 통해 이동하도록 통제한다는 점입니다.
아래 그림이 전기가 발생하는 과정입니다. 전선이 연결되지 않은 상태에서는 전해액을 통해 전자가 이동할 수 없기 때문에, 리튬이온도 이동할 수가 없습니다.
여기까지 봤을 때, 전기차 관련 산업에서 나오는 중요한 포인트 중 하나를 확실히 이해할 수 있게 됩니다. 배터리의 성능은 양극재가 결정한다는 말 많이 들어보셨을겁니다. 양극재에 저장된 리튬이온의 양이 방출할 수 있는 전자의 양과 정비례 하게 됩니다. 실제로 음극 기판과 양극 기판을 만져보면 양극 기판이 훨씬 무겁더군요. 음극재는 분리된 리튬 이온이 저장되어있을 수 있는 성질만 가지면 됩니다. (ex) 흑연
분리막과 전해질, 배터리 화재 등에 대해서 이어서 다루도록 하겠습니다.
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