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이차전지 리튬 이온 전지의 구성요소와 원리 알아보기 본문
이차전지 리튬이온 배터리의 구성요소와 원리 알아보기
< 목 차 >
1. 최근 글로벌 전기차 시장 및 리튬 수급 동향
2. 이차전지와 리튬 이온 전지
3. 리튬 이온 전지의 구성요소와 원리
1) 양극(Cathode)
2) 음극(Anode)
3) 전해액(Electrolyte)
4) 분리막(Separator)
4. 요약정리
1. 최근 글로벌 전기차 시장 및 리튬 수급 동향
최근 전 세계 국가와 기업들이 탄소중립을 위한 에너지 전환 노력에 박차를 가하면서 전기차 시장이 지속적으로 성장하고 있다. 글로벌 에너지 정보분석 기업 S&P 글로벌 플래츠(S&P Global Platts)에 따르면, 2022년 전 세계 전기차 판매량은 전년 대비 40% 이상 증가한 900만 대에 달할 것으로 전망되며, 2030년에는 2700만 대 가까이 확대될 것으로 예측된다.
전기차 시장이 확대됨에 따라 전기차 배터리의 원료로 사용되는 리튬의 수요도 2021년 50만 톤 수준에서 2030년 200만 톤으로 4배 가까이 늘어날 것으로 예상된다. 이 중 LG에너지 솔루션, SK이노베이션, 삼성 SDI 등 국내 배터리 생산기업 3사가 배터리 생산을 위해 필요로 하는 리튬의 양은 약 74만 9000톤에 달할 전망이다.
리튬의 수요가 급증하고 있는 가운데, 리튬 공급은 코로나19에 따른 인력난과 물류난, 채굴 허가권 관련 환경 규제 등으로 인해 생산에 차질을 빚으면서 급증하는 수요에 따라가지 못하고 있다. 2030년 리튬 공급량은 수요보다 2만 톤 적은 178톤으로 예측되며, 수급 불균형으로 이어질 것으로 전망된다. 이에 따라 전 세계의 전기차 보급 속도가 늦춰질 수도 있다는 우려가 제기되고 있다.
리튬이 도대체 뭐길래 리튬이 부족하면 전기차 보급이 늦춰진다는 걸까?
이번 포스팅에서는 왜 리튬이 전기차에 있어서 필수 불가결한 존재인지, 리튬 이온 전지는 어떤 요소로 이루어져 있고, 어떤 원리로 작동하는지에 초점을 맞춰 알아보도록 하자.
2. 이차전지와 리튬 이온 전지
우선 리튬 이온 배터리에 대해 알아보기 전에 먼저 큰 틀에서 이차전지가 무엇인지부터 살펴보도록 하자.
🔷 이차전지란?
한 번 쓰고 버리는 것이 아니라 충전을 통해서 반영구적으로 사용할 수 있는 배터리(전지)를 말한다. 가장 보편적으로 사용되는 전지로는 니카드 전지(니켈·카드뮴 전지)가 있는데, 가격이 저렴하지만 메모리 현상*이 있다는 치명적인 단점을 가지고 있다.
*메모리 현상은 이차전지 안에 있는 화학 에너지(전기)를 다 쓰지 않고 충전하면 이차전지에 들어갈 수 있는 에너지의 양이 줄어드는 현상을 말한다. 예를 들어 핸드폰 배터리를 다 사용하지 않은 상태에서 계속 충전기를 꼽아 놓으면 배터리 용량과 수명이 빨리 줄어드는 걸 목격할 수 있는데, 이게 바로 메모리 현상이라고 보면 된다. 니카드 전지를 사용할 경우, 핸드폰이 완전히 방전된 후에 충전을 해야 배터리 수명을 오래 유지시킬 수 있다.
니카드 전지가 가지고 있는 단점을 보완해줄 수 있는 것이 바로 리튬 이온 전지다.
🔷 리튬 이온 전지란?
양극(리튬 코발트 산화물)과 음극(탄소) 사이에 유기 전해질을 넣어 충전과 방전을 반복하게 하는 원리로 작동하는 전지를 말한다.
리튬 이온 전지는 앞서 설명한 니카드 전지와 달리 1) 메모리 현상이 없고 2) 전지의 출력도 좋으며, 3) 이차전지 중에서 에너지 용량 대비 무게가 가장 가볍다. 이 같은 특성 때문에 휴대폰, 노트북 컴퓨터 등 휴대용 기기에도 널리 사용되고 있으며 현재 이차전지 시장의 대부분을 차지하고 있다.
리튬 이온 전지는 무게가 가볍고 고용량 전지를 만드는 데 유리하다는 강점이 있지만, 화재 위험성이 있으므로 취급에는 주의가 필요하다. 리튬은 본래 불안정한 원소이므로 공기 중의 수분과 급격히 반응해 폭발하기 쉬우며, 리튬이온의 전해액은 과열에 따른 화재 위험성이 있다. 따라서 리튬 이온 전지에는 '안전보호회로(PCM)'가 들어가며, 내부는 단단한 플라스틱으로 둘러싼다.
위와 같이 리튬 이온 전지는 안정성이 100% 확보된 것은 아니지만 뛰어난 성능 덕분에 전기차 배터리로도 최근 많이 활용되고 있으며, 전기차 시장이 지속적으로 확대됨에 따라 향후 리튬 이온 전지의 수요도 크게 증가할 것으로 전망된다.
3. 리튬 이온 전지의 구성 요소와 원리
그럼 여기서 한층 더 들어가서 리튬 이온 전지가 어떤 요소로 이루어져 있고 어떤 원리로 작동하는지 알아보도록 하자.
리튬 이온 전지의 4대 구성 요소
리튬 이온 전지는 크게 양극, 음극, 전해액, 분리막의 4가지 요소로 이루어져 있다.
1) 양극(Cathode) : 리튬 이온 전지의 용량과 전압을 결정
리튬 이온 전지는 리튬의 화학적 반응으로 전기를 생산하는 배터리인데, 이 리튬이 들어가는 공간이 바로 '양극(Cathode)'이다. 리튬은 원소 상태에서는 반응이 불안정하기 때문에 리튬과 산소가 만난 리튬 산화물이 양극에 사용된다. 리튬 산화물처럼 양극에서 실제 배터리의 전극 반응에 관여하는 물질을 '활물질'이라고 부른다.
즉, 정리하면 리튬 이온 전지의 양극에서는 리튬 산화물이 활물질로 사용된다.
< 양극의 구성 요소 >
동그란 원 모양의 양극을 좀 더 자세히 들여다보면, 양극의 틀을 잡아주는 얇은 알루미늄 기재에 활물질과 도전재 그리고 바인더가 섞인 합제가 입혀져 있다.
<양극의 구성 요소>
✔ 활물질 : 리튬 이온을 포함하고 있는 물질
✔ 도전재 : 리튬 산화물의 전도성을 높이기 위해 넣는 재료
✔ 바인더 : 알루미늄 기재에 활물질과 도전재가 잘 정착할 수 있도록 도와주는 접착제 역할
이렇게 만들어진 양극은 배터리의 특성을 결정짓는 데 중요한 역할을 하는데, 어떤 양극 활물질을 사용했느냐에 따라 배터리의 용량과 전압이 결정된다. 리튬이 많이 포함될수록 용량이 커지고, 음극과 양극의 전위차가 클수록 전압이 커진다.
일반적으로 음극은 종류에 따라 전위(전기의 위치 에너지)의 차이가 작은 반면, 양극은 상대적으로 전위차가 크기 때문에 양극이 배터리의 전압을 결정짓는 데 중요한 역할을 한다.
< 리튬 이온 전지에서 양극과 음극의 전위차 >
여기서 양극과 음극의 전위(전기적 위치 에너지)의 차이가 바로 전압이 된다. 이 전위차가 클수록 전압 차이가 커진다. 양극과 음극의 전압 차이가 클수록 저장할 수 있는 배터리 용량이 커진다.
2) 음극(Anode) : 전자를 도선으로 내보내는 역할
음극(anode)도 양극처럼 음극 기재에 활물질이 입혀진 형태로 이루어져 있다. 음극 활물질은 양극에서 나온 리튬 이온을 가역적으로 흡수/방출하면서 외부 회로를 통해 전류를 흐르게 한다.
배터리가 충전 상태일 때 리튬 이온은 양극이 아닌 음극에 존재하는데, 이때 양극과 음극을 도선으로 이어주면(=방전) 리튬 이온은 자연스럽게 전해액을 통해 다시 양극으로 이동하고, 리튬 이온과 분리된 전자(e-)는 도선을 따라 이동하면서 전기를 발생시킨다.
음극은 구리 기재 위에 활물질, 도전재, 바인더가 입혀지는데, 음극에는 대부분 안정적인 구조를 지닌 흑연, 즉 그래파이트(Graphite)가 사용된다. 그래파이트는 음극 활물질이 지녀야 할 조건인 1) 구조적 안정성, 2) 낮은 전자 화학 반응성, 3) 리튬 이온을 많이 저장할 수 있는 조건, 4) 경제적인 가격 등을 만족시키는 재료로 꼽힌다.
< 리튬 이온 전지의 작동 원리 >
리튬 이온 전지는 이차전지이기 때문에 한 번만 쓰고 폐기하는 것이 아니라 충전과 방전을 반복하며 여러 번 사용할 수 있다.
충전 반응이 일어날 때는 양극(+)에 있던 리튬 이온(Li+)과 전자(e-)가 음극(-)으로 이동하는데, 이때 리튬 이온은 전해액을 통해서, 전자는 도선을 통해 이동한다.
모든 리튬 이온과 전자가 음극(-)으로 이동하고 나면 충전이 완료된 상태가 된다. 충전의 역반응이 방전이다.
3) 전해액(Electrolyte) : 이온을 이동시키는 역할
전해액(Electrolyte)은 양극과 음극 사이에서 리튬 이온을 이동할 수 있도록 하는 매개체다. 배터리에서 전기를 사용할 수 있게 하는 가장 중요한 포인트가 바로 리튬 이온은 전해액을 통해 이동하고, 전자는 도선을 통해 이동하는 것이다. 만약 전자가 도선이 아니라 전해액을 통해 이동하면 전기를 사용할 수 없는 것은 물론이고 안전성까지 위협받게 된다.
전해액은 리튬 이온의 원활한 이동을 돕기 위해 이온 전도도가 높은 물질이 주로 사용되며, 염, 용매, 첨가제로 구성되어 있다.
< 전해액의 구성 요소 >
✔ 염 : 리튬 이온이 지나갈 수 있는 이동 통로
✔ 용매 : 염을 용해시키기 위해 사용되는 유기 액체
✔ 첨가제 : 특정 목적을 위해 소량으로 첨가되는 물질
이렇게 만들어진 전해액은 리튬 이온들(Li+)만 전극으로 이동시키고, 전자(e-)는 통과하지 못하게 한다. 전해액의 종류에 따라서 리튬 이온의 움직임이 둔해지기도 하고, 빨라지기도 하기 때문에 전해액을 만들기 위해서는 까다로운 조건들을 충족시켜야 한다.
< 전해액 이미지 >
4) 분리막(Separator) : 양극과 음극의 절대 장벽
분리막은 양극과 음극이 서로 섞이지 않도록 물리적으로 막아주는 역할을 담당한다.
전자가 전해액을 통해 직접 흐르지 않도록 하고, 내부의 미세한 구멍을 통해 원하는 리튬 이온만 이동할 수 있게 만든다. 분리막을 만들기 위해서는 물리적인 조건과 전기 화학적인 조건을 모두 충족시켜야 한다. 현재 상용화된 분리막으로는 폴리에틸렌(PE)이나 폴리프로필렌(PP)과 같은 합성수지가 있다.
4. 요약정리
리튬 이온 전지를 구성하는 각각의 요소와 역할을 간단히 요약정리하면 다음과 같다.
| 구성 요소 | 역할 | 특징 |
| 양극 (Cathode) | 배터리의 용량과 전압 결정 | 배터리의 기본 성능 결정 |
| 음극 (Anode) | 전자(e-)를 도선으로 내보내는 역할 | |
| 전해액 (Electrolyte) | 리튬 이온(Li+)을 이동시키는 역할 | 배터리의 안전성 결정 |
| 분리막 (Separator) | 양극과 음극의 장벽 역할 |
참고자료 출처: 삼성 SDI 공식 홈페이지, 삼성 SDI 공식 블로그, 아시아경제
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