2차 전지가 산업에서 차지하는 비중이 상당히 커지고 있습니다. 전기 자동차 수요의 증가로 그 쓰임새는 더욱 커지고 있는 상황입니다. 2차 전지에 대한 관심은 높지만 자세한 내용은 모르고 어려워 하는 분들이 많습니다. 2차 전지 종류, 소재, 구성, 특징 등 차세대 배터리라고도 불리는 이차 전지에 대해 알아보겠습니다.
2차 전지(이차전지)
개념
2차 전지는 셀로 구성된 배터리입니다. 이 셀들은 충전과 방전이 가능한 구조입니다. 2차전지는 다양한 크기와 모양으로 주문 생산이 가능합니다. 2차전지에 사용되는 소재는 다양하며 초기 생산에 많은 비용이 소요되지만 여러번 충전하여 사용할 수 있기 때문에 생산 비용을 상쇄 할 수 있습니다. 2차전지의 단점으로는 무게가 상당히 무겁습니다. 전기차에 들어가는 이차전지는 수백kg입니다. 최근 탄소중립이 세계적인 이슈로 부상하면서 자동차, 전동 지게차 등 각종 모빌리티 분야에 많이 적용되고 있습니다. 향후 기술이 좀 더 향상된다면 선박이나 항공기에도 적용이 가능할 것으로 예상되고 있습니다.
원리
2차전지의 원리는 간단합니다. 배터리가 충전되면 양극에서 음극으로 리튬이온이 이동합니다.방전시에는 음극에 위치한 리튬이온이 다시 양극으로 돌아갑니다. 이러한 원리를 기본으로 해서 배터리를 작동시키고 있습니다.
1차 전지와의 차이점
1차 전지란 우리가 흔히 쓰는 건전지를 말합니다. 사용이 끝나면 충전하지않고 폐기하지만만 2차 전지는 방전되더라도 버리지않고 충전하여 사용가능하다는 점이 다릅니다.
2차전지 종류 및 구성
리튬이온 배터리
리튬이온 배터리는 양극재와 음극재, 분리막, 전해액으로 구성됩니다.
양극재
양극재는 배터리의 양극을 만드는 소재입니다. 배터리의 용량과 평균 전압을 결정하는 역할을 하며 리튬 이온이 주요 구성 성분입니다. 양극재를 구성하는 소재로 LCO(리튬, 코발트, 옥사이드), NCA(니켈, 코발트, 알루미늄), NCM(니켈, 코발트, 망간)을 많이 많이 사용하고 있습니다. 어떤 양극 물질을 소재로 사용했는지에 따라 배터리의 용량과 전압이 결정되기 때문에 2차 전지의 많은 비중을 차지합니다. 원가의 약 40% 를 차지하고 있다고 알려져있습니다. 리튬이온 배터리는 삼원계 배터리라고도 불립니다. 양극재에 리튬 코발트 산화물을 기본으로 니켈 등 다양한 금속을 추가해 총 세가지의 금속 원소를 바탕으로 만들어진 배터리를 의미합니다. 양극재의 중요도가 점점 더 높아지고 있으며 양극재의 원가 절감을 위한 기술 개발이 계속해서 진행되고 있습니다.
음극재
음극재는 양극에서 나온 리튬이온을 저장 및 방출하여 전류를 흐르게 하는 역할을 합니다. 음극재는 흑연과 같은 탄소물질을 주로 사용하고 있지만 최근에는 실리콘을 활용한 음극재도 개발중에 있습니다.
분리막
분리막은 양극재와 음극재가 직접적으로 닿는 것을 방지하기 위한 절연막입니다. 음극재와 양극재가 직접 닿을 경우에는 폭발이나 화재의 위험성 존재합니다. 때문에 양극재와 음극재의 직접적인 접촉을 피하면서도 미세하게 만들어진 기공을 통해 리튬 이온이 원활하게 이동하도록 만드는 기술의 중요성이 높아지고 있습니다. 분리막으로 활용되기 위해서는 안정적이고 절연성이 뛰어나면서도 강도가 높고 두께가 얇아야만 해 조건이 까다롭습니다. 현재까지 분리막 소재로는 폴리프로필렌, 폴리올레핀 등과 같은 고분자 소재가 사용됩니다.
전해액
리튬이온이 양극과 음극 사이에서 이동을 가능하게 만드는 물질입니다. 리튬염과 유기용매 그리고 첨가제로 구성됩니다. 리튬염은 리튬이온의 이동통로 역할로서 LiPF6(리튬, 인산, 불소) 로 구성되며, 유기용매는 리튬염을 용해시켜 줍니다. 첨가제는 양극과 음극 표면에 보호막을 형성하는데 수명개선과 저항감소 등의 효과를 위해 첨가합니다.
전고체 배터리
전고체 배터리와 리튬이온 배터리의 가장 큰 차이점은 고체의 전해질을 사용한다는 것입니다. 액체의 전해질에 비해서 발열이나 폭발의 위험이 낮고 수명이 더 길다는 장점이 있습니다. 하지만 현재의 기술로는 효율이 리튬이온 배터리보다 낮습니다.