2차 전지의 원리와 구조

 

1. 전기 이야기

 

목차

1. 전하(electric charge)
2. 전류
3. 전자의 이동
4. 전위
5. 전압
6. 전력

 

전하(electric charge)

물체가 가진 전기적 성질. 모든 물체는 전하를 가지고 있다. +전하와 -전하가 있다.

 

 

전류(A)

전하의 흐름. 단위 시간 동안 어떤 단면적을 통과한 전하의 양을 말한다. 전하는 전기적 성질을 말한다. 따라서 전류란 전기적 성질을 뛰는 뭔가가 흐르는 것을 말한다. 혹은 전기가 흐르는 것이다.

 

 

전자의 이동

전지를 통해서 전류가 흐른다는 현상을 발견했지만 무엇이 흐르는지는 정확히 알 수 없었다. 그래서 전류는 +에서 -로 흐른다고 정의했다. 그런데, 후에 전자를 발견하게 된다. 전류 현상의 실체는 자유전자가 -에서 +로 이동하는 것을 발견하게 되었다.

전류란 전자의 이동을 통해서 발생하는데 전자는 -에서 +로 이동하고, 전류는 +에서 -로 흐른다.

 

 

자유전자의 이동 _ 삼성sdi

 

원자핵에서 멀리 떨어지면 인력이 약해진다. 따라서 원자핵에서 멀리 떨어진 전자들은 원자핵의 힘에서 벗어나 주변을 자유롭게 이동한다. 이런 전자를 자유전자라고 부른다.

 

전위 : 전자는 왜 이동할까?

전위는 전기적 위치 에너지의 약자다. 폭포수는 위치에너지가 큰, 높은 곳에서 위치에너지가 작은, 낮은 곳으로 흐른다. 위치 차가 0이라면 물은 흐르지 않는다. 물은 스스로 흐르고 싶어서 흐르는 것이 아니라, 위치 에너지의 차이에 의해 어쩔 수 없이 흐른다. 자유전자도 이와 같다. 스스로 흐르는 것이 아니라 전위차에 의해서 이동한다. 마치 누가 당겨서 끌러가는 것처럼. 자유전자인데 자율성은 없어 보인다. 전위의 차이를 만들어 주는 것이 전기를 발생시키는 원리이다.

 

폭포

 

전압 (V)

전위차로 생긴 전기적 압력. 전기적 힘. 전압은 전류를 흐르게 하는 힘이다. 비유적으로는 폭포의 높은 곳과 낮은 곳의 차이가 곧 전압이다. 

 

전류의 발생

 

도체에 전압을 가하면 자유전자는 줄을 서서 어디론가 이동한다.

 

 

전력

단위 시간 당 전류가 할 수 있는 일의 양. 전력 = V × A. 

 

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2. 배터리

1. 전기는 왜 생길까?
2. 배터리의 전압
3. 배터리 용량

 

전기는 왜 생길까?

 

가끔 전기를 인간이 발명했다는 착각이 들기도 한다. 하지만 전하, 전기, 전력, 전압, 전위 등은 자연현상을 우리의 언어로 표현한 것이다. 누군가를 당기고 누군가를 밀어내는 자기력처럼 전기는 +와 -라는 성질을 가진 자연적인 힘이다.

 

배터리의 전압

배터리에서 전기는 기본적으로 음극에서 나온 전자가 전해액을 타고 양극으로 이동하면서 발생한다. 산화 환원 반응을 활용해서 음극의 전자가 양극으로 이동한다. 금속이 용액 속에서 전자를 잃고 양이온이 되려는 경향을 이온화 경향이라고 하는데, 이온화 경향이 큰 금속과 이온화 경향이 작은 금속을 조합해서 액체 속에 넣으면 전압이 큰 배터리를 만들 수 있다.

 

배터리 용량

배터리가 저장할 수 있는 전기의 양 혹은 전자의 양을 말한다. 리튬이온배터리는 음극에 리튬이 얼마나 저장되느냐가 배터리 용량을 결정한다.

 

 

충전과 방전

리튬이온 배터리는 양극과 음극 간 산화환원 반응을 통해 화학에너지를 전기에너지로 변환시켜 주는 장치이다. 리튬이온과 분리된 전자가 도선을 따라 음극과 양극 사이를 이동할 때 전기가 발생한다. 

 

리튬이온은 충전이 되었을 때 음극에 있다. 리튬이온은 음극에서 전해액을 통에서 양극으로 이동하고 전자는 도선을 통해서 음극으로 이동하면 방전이 된다. 반대로 양극에서 음극으로 리튬이온과 전자가 이동하면 충전이 된다. 

 

 

3. 리륨이온 배터리의 4요소

 

 

 

 

리튬리온 배터리

 

리튬 이온 배터리 4요소

1. 양극
2. 음극
3. 전해액
4. 분리막

 

양극은 리튬과 산소가 결합한 리튬 산화물로 구성된다. 충전 시 리튬이온이 빠져나와 음극으로 간다. 음극재료는 보통 흑연을 사용한다. 분리막은 미세한 구멍이 있어 리튬리온이 양극과 음극을 오갈 수 있게 만든다. 양극과 음극의 접촉은 차단시킨다. 양극과 음극이 만나면 폭발한 위험이 있기 때문이다. 전해액은 양극과 음극 사이에서 이온 이동을 가능하게 해주는 매개체 역할을 한다. 리튬이온의 이동을 돕는다.

 

1. 양극

양극이 리튬 이온 배터리의 용량과 전압을 결정한다. 리튬은 불안정하기 때문에 자연상태에서 원소로 있지 않고 리튬 산화물로 존재한다. 리튬은 산화물 상태가 안전하기 때문에 배터리 내에서도 리튬 산화물 형태로 있다. 리튬 산화물처럼 양극에서 배터리 전극에 관여하는 물질을 활물질이라고 부른다. 어떤 활물질을 사용하느냐에 따라 저장되는 전자의 수가 달라진다.  이를 통해 배터리 용량과 전압이 결정된다. 

 

양극 활물질은 리튬과 금속 성분의 조합으로 이루어진다. 이때 금속 종류와 양에 따라 서로 다른 특성을 가지게 된다.

 

니켈 = 고용량 특성
망가, 코발트 = 안정성
알루미늄 = 출력 특성

 

국내에서는 대부분 NCM이나 NCA 계열을 양극활물질로 사용한다. 중국 업체는 LFP(리튬, 인산, 철) 배터리를 사용하는데 출력이 낮지만 안정성이 높다는 장점이 있다. 

 

양극 구조

 

합제 ( 활물질 + 도전제 + 바인더 )
알루미늄 기재

 

양극은 합제와 알루미늄 기제로 구성되어 있다. 활물질은 리튬 산화물을 포함하고 있는 물질이고, 도전제는 리튬 산화물의 전도선을 높이는 기능을 한다. 바인더는 알루미늄 기재에 활물질과 도전제가 잘 붙일 수 있게 만드는 접착제 역할을 한다. 

 

리튬을 많이 포함하면 용량이 커지고, 양극과 음극의 전위차가 크다면 전압이 커진다. 양극이 배터리의 용량과 전압을 결정한다.

 

 

2. 음극

음극 활물질은 양극에서 나온 리튬이온을 흡수하거나 방출하면서 전류가 흐르게 하는 역할이다. 배터리가 충전상태일 때 전자는 음극에 존재한다. 리튬이온과 분리된 전자가 도선을 따라 음극에서 양극으로 이동하면서 전기가 발생한다. 음극은 구리 기재 위에 활물질, 도전제, 바인더가 있다. 음극에서는 대부분 흑연을 사용한다. 흑연은 가격, 안정성, 화학 반응성 등의 측면에서 유리한 재료이다. 

 

 

3. 전해액

이온은 전해액을 통해서 이동하고, 전자는 도선을 통해서 이동한다. 만약 전자가 도선이 아닌 전해액을 통해서 이동하면 전기가 통하지 않고 안정성에도 문제가 생긴다.

 

전해액 : 용, 염매, 첨가제

 

전해액은 용, 염매, 첨가제로 구성되어 있는데 리튬이온을 잘 이동시킬 수 있도록 이온 전도도가 높은 물질이 사용된다. 

 

 

4. 분리막

분리막은 양극과 음극이 서로 섞이지 않도록 막아주는 역할을 한다. 내부의 미세한 구멍을 통해 이온만 이동할 수 있다. 소재로는 폴리에틸텐(PE) 폴리프로필렌(PP)이 쓰인다.