리튬은 전기차, 휴대전화, 노트북 등 각종 전자기기 배터리의 핵심소재이다. 리튬 이온 배터리는 이제 배터리의 주류이다.어떤 구조와 원리로 작동할까?
리튬이온전지는 리튬이온이 양극재와 음극재 사이를 이동하는 화학반응을 통해 전기를 생산한다. 음극의 리튬 이온이 양극으로 이동하여 전지가 충전되고, 양극의 리튬 이온이 음극 주위를 돌면서 에너지를 방출하고 전기를 방전시킨다. 이때, 음극과 양극의 접촉을 방지하기 위해 음극과 양극 사이의 리튬 이온의 통로 역할을 하는 전해액과 분리막이 필요하다. 일반적으로 리튬이온전지의 4가지 구성요소는 이 음극재료, 양극재료, 전해질, 분리필름이다. 리튬이온전지의 4대 구성요소와 작동원리에 대해 살펴보자.
1) 양극재
리튬이온전지로부터 리튬을 공급받을 수 있는 공간이 음극재이다. 리튬이온이 사는 집에 비유할 수 있다. 리튬은 전자를 잃고 양이온이 되는 경향이 있어 좋은 음극 재료가 된다. 그러나 원소 상태의 리튬은 불안정하기 때문에 산소와 결합된 리튬 산화물 형태의 음극으로 사용된다.
상기 음극재는 용량 및 전압과 관련이 있으며, 이는 전지 성능에 중요하다. 정극 재료의 리튬 비중이 높을수록 전지 용량이 커지고, 정극 사이의 전위차에 의해 전지 전압이 결정되기 때문에 정극 구조의 전위값이 전압에 큰 영향을 미치게 된다. 최근 고성능 음극재에 대한 수요가 증가하고 있으며, NCA(니켈, 코발트, 알루미늄), NCMA(니켈, 코발트, 망간, 알루미늄) 등 다양한 음극재가 개발되고 있다.
2) 음극재
상기 양극재는 음극으로부터 리튬 이온을 저장 및 방출하고, 외부 회로를 통해 전류를 흐르게 된다. 전지가 충전되면 리튬 이온이 양극에 존재하며, 음극과 양극이 도체에 연결되면 리튬 이온이 전해질을 거쳐 음극으로 이동하고, 리튬 이온에서 분리된 전자가 도체를 따라 이동하여 전기를 발생시킨다. 나는 집에서 나오는 리튬 이온이 일에 의해 만들어지는 전기라고 생각한다.
양극재는 흑연이 주성분으로 많은 이온을 안정적으로 저장할 수 있다. 그러나 리튬 이온의 저장과 방출 과정이 반복될수록 흑연 구조가 변화하여 저장할 수 있는 이온의 양이 줄어들어 전지의 수명이 감소하게 된다. 용량이 크고 충전 속도를 높일 수 있는 실리콘 양극재 등 차세대 양극재 개발이 활발히 진행되고 있다.
3) 전해질
전해질은 전지 내부의 음극과 양극 사이에서 리튬 이온의 원활한 이동을 돕는 매개체이다. 리튬 이온은 통근을 위한 교통 수단이다. 전해질은 리튬 이온의 원활한 이동을 위해 이온전도도가 높고 안전성을 위해 전기화학적 안정성과 발화점이 높은 물질이어야 한다. 또한, 전자의 경우에는 접근을 방지하고 외부 와이어로만 이동해야 합니다.
현재, 액체 전해질은 이 역할을 위한 최선의 선택지로 널리 사용되고 있다. 안전성 및 성능이 우수한 고체 및 젤라틴형 전해질에 대한 연구도 활발히 진행되고 있다.
4) 분리막
워라벨을 위해 가정에서의 휴식과 직장에서의 일이 분리되어야 한다는 것을 보장하기 위해 다이어프램은 양극과 음극 사이의 물리적 접촉에 장애물 역할을 한다. 분리막에는 리튬 이온이 이동할 수 있는 작은 구멍이 있다. 즉, 양극과 음극의 접촉을 방지해야 하며, 이온이 이동할 수 있어야 한다
분리필름은 안전성을 위해 높은 전기적 절연성과 열적 안정성이 요구되며, 일정 수준 이상의 온도에서 자동으로 차단 이동을 방지할 수 있는 능력도 갖추어야 한다. 현재 분리막으로는 폴리에틸렌(PE)과 폴리프로필렌(PP)이 널리 사용되고 있다. 분리필름을 더 얇게 만들어 전지 크기를 줄이는 연구도 진행되고 있다.
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배터리는 1차전지와 2차전지가 있는데 1차전지는 시계, 리모컨 등에 사용되는 배터리로 한 번 사용하고 나면 재사용이 불가능한 배터리로 건전지, 알칼리전지를 의미하고, 반면에 2차전지는 방전 후에도 다시 충전해 반복 사용이 가능한 배터리를 말합니다. 즉 충전과 방전을 반복할 수 있는 전지는 리튬이온 배터리가 대표적이며 친환경 전기차에 필수적이다. 향후 미래 먹거리 중 하나인 분야로써 기업을 넘어서 국가에서 리튬 공급선 확보에 집중할 것으로 보인다.
유럽에서 2030년까지 내연기관 차를 퇴출하고 35년부터 전기차만 탈 수 있다고 한다. 그말인즉 30년까지는 연간 판매되는 차량의 60%를 전기차로 채워야하는 말인데 최근 미중갈등 및 러시아 공급망에 의존했던 국가들은 새로운 공급망 또는 매장지 확보가 필요하므로 리튬을 확보하려는 경쟁이 더 치열할 전망이다.