[산업공부] 리튬이온배터리의 작동원리

아주 오랜 시간동안 산 것은 아니지만, 나이를 들면 들수록 옛말에 틀린것이 없다고 깨닫습니다.

그 중에 하나는 백문이 불여일견인데 리튬이온배터리의 작동원리를 공부하기 위해 링크의 유튜브 영상을 청취하면 도움이 될 것입니다. 한국어 번역 체널도 운영하는 곳이지만 아쉽게도 아직 리튬이온배터리의 작동원리는 번역이 되어있지

않아 영문 링크를 남깁니다.

 

아래에 번역한 내용을 적어둘 테니 시간순서에 맞추어 참조하길 바랍니다.

 

https://www.youtube.com/channel/UCqZQJ4600a9wIfMPbYc60OQ

Lesics

 

0:58분 부터 2차전지(리튬이온배터리) 설명이 시작된다.

 

(0:58분)리튬이온은 양극을 이루는 알루미늄 + NCA*(양극활물질)과 음극을 이루는 동박 + 흑연 그리고 양쪽의 극의 접촉을 분리하는 분리막으로 구성되어있다. 2차전지의 가장 기초적인 작동원리는 전기화학적 전위차이다. 이러한 원리로 200년전에 최초의 배터리가 만들어졌다. 이러한 전기화학적 전위차를 기준으로 금속을 나열하면 Li(3.04v), Mg(2.37v), Al(1.66v), Zn(0.76v), Fe(0.44v), H(0v), Hg(-0.24), Cu(-0.34v), Ag(-1.69), F(-2.8v)이며 순서대로 전자를 잃기 싫어한다. 

 

(1:54) 소니는 이러한 원리를 기반으로 최초의 상용 리튬이온배터리를 1991년에 제작하였다. 위에 언급한 것처럼 리튬은 가장 전자를 잃기 쉬운 상태이기때문에 배터리 제작에 사용되었으나 이러한 특징으로 인해 반응성이 높아 단독으로 존재할 경우 불안정하다. 따라서 리튬의 상태를 안정시키기 위해 산화금속의 형태로 결합시킨다. 만약 리튬이 어떠한 원리에 의해서 산화금속에서 분리되어 떨어져나오면 리튬은 전자가 분리되어 이온상태가 되는데 만일 이때 다른 리튬이온과 경로를 통해 전자를 이동시키면 리튬이온은 다시 산화금속과 결합하게 될 것이다. 그리고 이렇게 리튬이온이 다시 산화금속과 재결합하게 되는 과정을 통해 전기를 얻을 수 있다.

 

(3:25) 실제 리튬이온배터리는 전해질(electrolyte)과 흑연(Graphite)를 사용한다. 흑연은 층상의 구조를 가지고있다. 이 층상구조는 매우 느슨하게 결합되어있어 리튬이온이 그 사이를 쉽게 파고들 수 있다. 전해질은 리튬이 흑연으로 이동할 때 리튬이온만 통과시키고 전자는 막는 역할을 한다. 이러한 구조에서 전원을 양극에 연결하면 전원의 +극으로 리튬의 전자들이 이동하게 된다. 이 전자들은 외부회로를 통해 음극의 흑연으로 이동하게되고 리튬은 이에 따라 흑연쪽으로 이동하게 된다. 이러한 상태는 언덕에 있는 것처럼 불안정하다. 이 때 부하가 걸리게되면 리튬이온은 다시 +극으로 이동하게되고 전자도 외부 회로를 통해 +극으로 이동하여 리튬이온과 함께 산화금속과 결합하게된다. 만약에 외부환경의 영향으로 인해 온도가 높아지게되면 전해질이 증발하게되면서 +와 -극이 접촉하게 되고 쇼트를 일으키게된다. 이러한 상황을 방지하기 위해 양극과 음극사이에는 분리막(seperator)가 위치한다. 분리막은 극소기공구조로 인해 리튬이온은 통과하지만 전자는 통과하지 못한다. 실제 리튬이온배터리에서는 흑연과 산화금속(양극활물질)은 각각 동박과 알루미늄박에 코팅되어있다. 이러한 동박 알루미늄박들은 집전 장치의 역할을 한다. 그리고 전해질은 분리막에 코팅되어있다. 이 세 구성요소는 층을이룬 후에 부피를 작게하기위해 말아져 원통형상을 이룬다.

 

 

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--- BMS(Battery Management System) 중략 ---

 

(7:55) 매우 신기하게도 첫번째 충전 시 갑작스러운 리튬배터리의 고장을 방지하는 현상이 발생한다. 만약 전자가 전해질과 직접접촉하게 되면 전해질에 손상을 가하게된다. 하지만 유연한 현상으로 인해 전자는 전해질과 직접 접촉 할 수 없다. 이것을 SEI(Solid Electrolyte Interface) 현상이라고한다. 다시 리튬이온배터리의 첫 충전을 위해 전원을 연결할 때를 살펴보면 리튬이온이 전해질을 통해 -극으로 이동하면서 전해질이 리튬이온을 감싸게 된다. 이렇게 전해질이 감싸진 리튬이온이 흑연과 접촉하는 순간 SEI를 형성하게 된다. 이렇게 형성된 SEI는 전자가 전해질과 직접 접촉하는 것을 방지한다. 이러한 SEI 현상은 전체 리튬의 5%정도를 소모한다. 나머지 95%의 리튬이온이 배터리 작동에 사용된다. 우연한 현상으로써 발견되었지만 과학자들은 20여년에 걸쳐 최대 배터리작동을 할 수 있는 최적의 SEI 두께를 찾아내었다. 

 

(9:45) 리튬이온배터리의 수명은 3,000 cycle(완충과 완전방전을 1번의 Cycle이라고 한다)인데 업계는 이것을 25년의 수명을 보장하는 10,000cycle로 늘리려고 한다. 이것을 달성하기 기존의 흑연을 실리콘으로 대체하는 연구를 위해 수백만 달러가 사용되었다. 만약 이것이 성공하게되면 에너지 밀도는 기존 리튬이온배터리에 비해 5배가 증가하게 될 것이다. 

 

 

위 동영상의 설명은 원통형 리튬이온배터리입니다. 각형과 파우치형은 구조적 차이가 있기는 하지만 기본원리는 동일합니다. 또한 음극재로써 실리콘의 문제점과 배터리의 수명과 관련된 동영상이 별도로존재합니다. 해당 동영상은 다음번에 시청 후 번역해 보도록 하겠습니다. 

 

*NCA : 리튬에 니켈(N) 코발트(C)에 알루미늄(A)이 혼합된 양극활물질