[산업공부] 리튬이온배터리의 작동원리 #2

지난번 말씀드렸던 리튬이온배터리의 작동원리 2탄입니다.

영상을 보시면서 아래 번역 내용을 보시면 도움이 되리라 생각합니다.

 

https://youtu.be/OvGB4ZyMvBU

 

(0:43)

두 전극사이에 부하를 걸게 되면 전자가 이동하는 것을 볼 수 있다. 이러한 현상은 부하를 연결하기 전 전자가 불안정 상태로 저장되었다는 것을 의미한다. 리튬이온배터리 내에서의 현상을 이해하기 위해는 그 원리를 이해해야한다. 여기, 불안정한 전자들이 높은 전기화학적 전위를 가진채로 저장용기의 일종인 그래파이트(흑연)에 곳에 저장되어있다. 저장되기 전에 전자들은 물체의 원자구조로부터 분리되어야 한다. 리튬이라는 금속은 바깥 껍질의 전자를 잃기 쉬운 성질을 지니고있고 이것 때문에 리튬은 자연상태에서 매우 반응성이 높다. 하지만 산화 금속과 함께있으면 리튬은 매우 안정해 진다. 여기에 외부 전원을 연력 해 보자. 전원의 양극은 전자를 끌어당긴다. 우리는 전자가 통과하는 것을 막는 전해질도 사용하는데, 이것으로 인해 전자는 외부 회로를 통해 흐르게 되고 그래파이트 층에 갇히게 된다. 비슷한 이유로 전원의 음극은 양극상태의 리튬이온을 끌어당이고 리튬이온들도 그래파이트에 갇히게 된다. 결과적으로 리튬이온들은 높은 전기화학적 전위를 가진 상태로 저장된다. 우리가 전원을 제거하고 부하를 연결하면 모든 전자는 부하를 지나 이동하게되고 이것으로 우리가 전기를 얻을 수 있게 된다. 

 

(2:15)

좋은 에너지원이 되기 위한 특성은 세가지가 있다. 낮은 가격, 높은 에너지밀도 그리고 기 수명이다. 리튬이온 전지가 이러한 특성에 대해 어떤지 알아보고 미래의 트렌드를 살펴보자.

1. 먼저 가격 요소를 살펴보자. 리튬이온배터리를 기반으로 한 시설을 갖추기 위한 자본비용은 경쟁자(화석연료차)에 비해 매우 높다. 하지만 운용비용의 측면으로 비교해보면 전기차는 휘발유 차 대비 1/3의 비용으로 운용이 가능하다. 높은 자본비용의 주된 이유는 니켈과 코발트의 높은 가격 때문이다. 게다가 배터리 제조사들은 이 두가지의 금속을 리튬보다도 더 많이 사용한다. 이러한 이유로 인해 리튬이온 배터리의 가격은 납산 축전지대비 6배이며, 일반 건전지 대비 3배가 비싸다. 하지만 좋은 소식은 지난 몇년동안 단위 키로와트 시간당 비용이 매우 급격하게 감소하고 있다는 점이다. 그러므로 이른 미래에 앞서 언급한 자본비용의 문제를 해결 할 수 있을것이다. 

 

(3:27)

2. 에너지밀도. 리튬이온 배터리는 어떠한 건전지들 보다 높은 에너지 밀도를 가지고 있다. 하지만 가솔린과 비교하였을 때는 매우 열악하다.(리튬이온배터리 240Wh/kg < 가솔린 12,200Wh/kg). 에너지 밀도에 가장 영향을 주는 주된 원인은 리튬이온배터리의 리튬이온과 전자의 저장장치이다. 테슬라 셀의 저장장치는 그래파이트이다. 과학자들은 저장장치인 그래파이트를 실리콘으로 대체하여 기술의 한계를 넘으려고 한다. 이러한 기술을 통해 에너지 밀도를 4.4배 가량 늘릴 수 있다. 하지만 실리콘은 사용 Cycle동안 허용불가능한 정도의 수축팽창을 통한 부피변화를 일으킨다. 실리콘의 높은 에너지 밀도를 활용하면서 부작용을 피하기 위해 일부 제조업체들은 5%의 실리콘을 그래파이트에 혼합하여 사용하고있다.

 

(4:27)

3. 이제 가장 중요한 부분을 다루어보자. 바로 리튬이온배터리의 수명이다. 너의 오래된 노트북에 사용되는 리튬이온배터리들은 보통 1년안에 수명을다한다. 하지만 요즘 생산된 노트북의 경우에는 3~4년의 배터리 수명을 보여준다. 왜 리튬이온배터리는 죽는것인가? 연구자들이 어떻게 수명을 늘렸는고 계속해서 개선하고있는지를 이해하기 위해 우리는 리튬이온의 사망 너머의 원리에 대해 이해해야한다. 통상 리튬이온배터리는 전혀사용하지 않더라도 몇년 후에 수명을 다한다. 이러한 자본손실은 급격하지 않다. 실제로 이 과정은 전기 흐름을 필요로 하지 않는다. 이전에 다루었던 과정과 같이 리튬이온이 전해질을 통해 흐를 때, 리튬이온들은 용제(solvent) 분자에 둘러싸인다. 최초의 충전동안  용제에 코팅된 리튬이온은 그래파이트와 반응하여 SEI 층을 형성한다. SEI층은 오히려 잘된 일인데 이것이 리튬이온은 통과 시키고 전자와 전해질의 직접적인 접촉을 방지하고 이것은 전해질의 열화를 방지한다. 리튬이온 배터리가 몇번 충전된 후에 전원이 제거 된 상황을 가정 해 보자. 리튬이온 배터리는 이제 개방회로 상태이다. SEI 층이 전자와 전해질을 통과하는것을 막으려고 하지만 일부의 전자들은 전해질을 뚫고 지나간다. SEI층의 일부 기공부로 인해 전해질 용제 분자는 전자들이 쉽게 통과하는 것을 방지한다. 용제 분자는 전자와 반응하여 다시 SEI층을 형성한다. 이런 현상이 반복되며 계속해서 SEI층은 두꺼워지고 전해질은 소모되는 것을 볼 수 있다. 리튬이온의 열화 과정은 개방회로 상태일 때 매우 느리게 일어난다는 점에서 매우 흥미롭다. 이러한 리튬이온배터리의 사망 과정은 충방전이 되면서 더 빠르게 일어난다. 이러한 과정은 리튬이온과 용제가 SEI층을 두껍게 형성하면서 리튬이온과 전해질의 소모하며 가속화된다. 이것이 리튬이온배터리가 충방전의 횟수가 늘어나면서 급격하게 짧아지는 이유이다.

 

(7:05 ~ 7:23) 위 내용 반복

 

(7:24)

하지만 배터리의 수명은 전해질 내의 첨가물을 통해 어느정도 이상 늘어날 수 있다. 이것은 열화과정을 늦추어 배터리 수명을 향상시키는 레시피의 비밀양념과 같은 것이다. 현재 테슬라 배터리는 3,000회의 싸이클(충방전) 혹은 7년의 수명을 가지고있다. 연구자들은 그들의 최고의 노력을 통해 이것을 25년의 수명을 의미하는 10,000회의 싸이클로 늘리고자 한다.

 

(07:55)

현재, 대부분의 고가 전자장비들은 리튬이온배터리를 채택하고있다. 하지만 그들 사이에는 산화금속(양극재)의 조성에 약간의 차이가 있다는것은 흥미롭다. 이것은 적용되는 장치가 요구하는 가격, 수명, 에너지 밀도에의해 달라진다. 지금까시의 설명을 통해 어떻게 리튬이온 배터리가 에너지밀도와 수명의 과점에서 발전했는지 알 수 있었다. 최근 리튬이온배터리 기술에서의 혁신은 리튬이온배터리의 안전을 크게 향상시켰다. 이 기술은 할로겐이 포함된(halogen intercalation) 수전해질을 사용한다.  산화금속에 첨가된 할로겐은 리튬이온의 이동성을 향상시키는데 도움을 준다. 전해질이 수분내의 소금타입(salt in water type)이기 때문에 화재 문제를 해결하고 리튬이온의 이동성을 향상시킨다.

 

(8:53~) 전기자동차 산업 설명