2차전지 산업 공부 #2 - 2차전지 동작원리

• 아래는 현재 작성 중인 기업 분석 연습 및 개인의 공부 목적으로 작성 중인 보고서의 일부분이며 매주/매도 추천이 아님을 밝힙니다.
• 비전공자이기 때문에 내용이 정확하지 않을 수 있습니다.

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2차전지 동작원리

 

2차전지를 한마디로 이야기하면 일회용이 아닌 반복적으로 충전해서 사용할 수 있는 전지를 말한다. 반대로 1차전지는 일회용 건전지라고 생각하면 되겠다. 2차전지에는 여러 종류가 있으나 리튬 이온 배터리 (Li-ion battery)가 가장 널리 사용되고 있다. 리튬이 가장 많이 사용되는 이유는 기존 전지 대비 4~5배의 에너지 밀도, 기존 전지 대비 3배 높은 전압과 비메모리 효과 (충전, 방전 반복으로 인한 반정 용량 감소 없음) 및 높은 수명이 있다. 또한 환경규제물질 (카드뮴, 수은, 납 등) 미포함하고 폐전지로부터 재활용이 가능해 친환경 적이다. 이러한 장점을 활용해 최근에는 배터리 Recycle 사업 또한 각광받고 있다. 리튬이온 배터리 중 소형 배터리는 노트북, 스마트폰, 무선청소기 등 많은 가전에서 이미 사용되어왔으며 최근 전기차 및 ESS에 적용되는 중대형 배터리 시장이 폭발적으로 성장 중이다.

 

원자 번호가 3번인 리튬은 지구상에서 1번 수소, 2번 헬륨 다음으로 작고 가벼운 물질이다. 리튬(Li)은 최외각 전자를 한 개만 갖고 있어 전자를 버리고 안정화되려는 특성이 있다. 표준환원전위표에 따르면 리튬이 전자를 잃는 성질 (산화성)이 가장 큰 물질이다. 이러한 리튬의 특성으로 기존 전지 대비 높은 전압이 가능하다.

 

출처 : 에너지설비관리

산화(oxidation)는 분자, 원자 또는 이온이 산소를 얻거나 수소 또는 전자를 '잃는' 것이며 환원(reduction)은 반대로'얻는' 것이다. 표준 환원 전위는 그 값이 클수록 (전극 입장에서) 환원성이 크고, 작을수록 산화성이 커짐을 의미한다. 그러므로 표준 환원 전위 값이 큰 것을 전위차계의 플러스 단자에 연결하고 그 값이 작은 것을 전위차계의 마이너스 단자에 연결하면 자발적으로 구동되는 전지를 구성할 수 있으며, 이때 전지의 기전력은 표준 환원 전위 값의 차이가 클수록 커진다.

표준환원전위표

배터리는 화학 에너지 준위가 다른 두 물질을 조합하여 전자의 이동을 유도하고 제어하는 장치이다. 화학 에너지 준위는 물질의 고유한 특성이며, 한쪽의 화학 에너지 준위를 높여주면 전자가 높은 곳에서 낮은 곳으로 흐르기 시작한다. 이에 따라 전지의 전압은 화학 에너지 준위가 서로 다른 두 화학물질을 음극과 양극으로 선택함으로써 정해진다. 에너지가 높은 곳에서 낮은 곳으로 전자가 이동하는 것으로 이는 물이 높은 곳에서 낮은 곳으로 이동하는 것과 같이 자연스러운 흐름이다.

출처 : Horizon – 리튬이온전지의 원리와 탄생, 그리고 노벨상

이러한 두 물질 간의 화학반응을 이용하여 배터리는 아래와 같이 구성하며 동작 원리를 간단하게 설명하게 다음과 같다.

 

음극에서 전자를 잃는 성질 (산화성)이 큰 리튬이 자연적으로 산화되어 리튬 이온(Li+)과 전자(e-)로 분리된다. 전자는 외부로 연결된 도선을 통해서 양극으로 이동한다. 양극의 환원성이 큰 물질 (e.g 불소(F))는 음극에서 이동한 전자를 받아서 안정적인 에너지 준위를 얻게 된다. 이때 전자가 빠져나간 음극에는 전자가 빠져나간 만큼의 리튬이온이 남게 되는데, 전기적 중성을 유지하기 위해서 리튬 이온은 전해질을 통해서 양극으로 이동하여 전기적 중성을 유지한다. 전해질은 부도체로서 두 물질 사이에서 전자의 이동을 방지하고 양이온(e.g 리튬이온(Li+))만 이동시키는 역할은 한다. (2차전지의 4대 핵심 소재 (양극재, 음극재, 분리막, 전해액) 중 하나인 전해액은 전해질 용액의 줄임말이다.) 모든 화학반응이 끝나면 양극의 물질과 리튬 이온의 이온 결합된 물질의 형태로 변한다 (e.g 전자를 읽은 Li+ + 전자를 얻은 F- → LiF).

배터리 동작 원리

위 그림의 3개의 화학 물질 (양극(전자 수용 물질),음극(전자 제공 물질),전해질)을 결합하여 화학물질 사이의 전자 이동은 외부 전기에너지로 변환할 수 있는 현상을 전기화학반응이라고 하며, 이를 이용한 장치를 배터리라고 한다. 이 때문에 리튬 이온 배터리의 동작 원리를 “산화·환원 반응(oxidation-reduction reaction)으로 인해 화학 에너지를 전기 에너지로 변환”으로 설명하기도 한다. 위 동작이 전지를 사용하여 장치(e.g 전기차, 스마트폰, 노트북 등)에 전원을 공급할 때 일어나는 동작으로 배터리가 방전(discharge) 된다고 한다.

 

화학반응이 완료된 전지에 외부 기전력을 가해주면 원래의 화학 물질로 되돌릴 수 있다. 예를 들어 반응이 다 끝난 배터리의 LIF가 다시 양극의 F, 음극의 LI 형태로 돌아가는 것이다. 이것을 충전(recharge)된다고 한다. 충전은 자연적인 반응이 아니기 때문에 외부의 힘 (i.e 외부 기전력) 연결하여 인위적으로 음극의 전압을 높여 전자가 양극에서 음극으로 이동시키며 방전 시와 마찬가지로 전기적 중성을 유지하기 위해서 리튬이온이 전해질을 통해서 양극에서 음극으로 이동한다. 양극에 있는 모든 리튬이온이 음극으로 이동하면 완충되는 것이다.

배터리 동작 원리 – 충전시

방전과 충전을 반복적으로 구현할 수 있는 전지를 2차전지(secondary cell, storage battery, rechargeable battery)라고 한다. 리튬이온배터리는 대표적인 2차 전지이다.

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다음은 2차전지에서 범위를 좁혀 리튬이온배터리에 대해서 공부할 계획이다.