리튬이온 배터리 구조 및 원리 - 양극재, 음극재, 전해질, 분리막

안녕하세요. 훈스로그입니다.

 노트북, 스마트폰, 전기차 등 현재 사용하고 있는 대부분의 휴대용 기기에 탑재되고 있는 리튬이온 배터리. 과연 어떤 구조로 이루어져 있을까요? 

목차

1. 리튬이온 배터리 구조 (양극재, 음극재, 전해질, 분리막)

2. 리튬이온 배터리 작동 원리

 

리튬이온 배터리 구조

 리튬이온 배터리 구조는 양극, 음극, 전해질, 분리막으로 구성되어 있습니다. 리튬 이온(Li+)이 양극과 음극으로 이동하며 발생하는 화학에너지를 토대로 전기에너지가 생기게 됩니다. 만약 이 중 하나라도 없다면 배터리는 정상적인 작동을 하지 못하게 되는 것이죠.

출처 : Battery Power Tips

 양극재

양극은 리튬이온배터리에서 리튬이 들어있는 공간입니다. 알루미늄 기재인 집전체 양쪽으로 양극 활물질, 도전재, 바인더가 결합된 구조이죠. 실제로 보면 아주 얇은 은박지에 검은색 무광 스티커를 붙여놓은 느낌입니다. 양극은 배터리의 용량, 전압을 결정하는 주요 요소이며 최근 NCM, NCMA, LFP가 주로 사용되고 있습니다.

 음극재

 음극은 리튬이온 배터리를 저장하는 역할을 합니다. 양극에서 탈리되어 빠져나온 리튬이온이 음극으로 이동하여 삽입되는데요. 자세한 리튬이온 배터리의 작동 원리는 아래에서 설명드리도록 하겠습니다. 음극은 많은 리튬이온 배터리를 저장할 수 있는 흑연을 사용하고 있는데요. 최근에는 실리콘 음극재 등 차세대 음극재를 적용하려고 시도하고 있지만, 삽입과 탈리가 반복되는 음극에 의해 팽창되는 문제를 아직 해결하지 못했습니다. 그래서 현재는 흑연에 실리콘을 적정량 첨가하는 수준으로 용량을 늘리고 있습니다.

 전해질

 구조에서 잠깐 설명드렸다시피 리튬이온배터리는 양극과 음극 사이를 이동하는 리튬이온(Li+)에 의해 작동하게 되는데요. 이온이 원활히 이동할 수 있도록 해주는 역할을 전해질이 하게 됩니다. 따라서 이온 전도도가 높아야겠죠. 현재 전해질은 모두 액체인 전해액으로 이루어져 있는데, 작은 불꽃으로도 화재가 급속도로 번질 수 있다는 문제점이 있습니다. 따라서 안정성이 우수해야 하고, 발화점이 높아야 하는 특성을 가지고 있습니다. 차세대 전해질로는 흔히 전고체라고 불리는 고체 전해질이 있습니다. 아직까지 완전히 고체화하는 것은 기술적으로 어렵기 때문에, 고분자(Polymer) 소재를 첨가하는 겔(Gel) 형태로 기술 개발이 진행 중입니다.

 분리막

 양극과 음극이 만나게 되면 순간적으로 리튬이온이 급속도로 이동하게 되어 대전류가 발생하게 됩니다. 이를 단락(Short Circuit)이라고 부르는데요. 따라서 양극과 음극이 물리적으로 접촉되지 않도록 해주는 역할을 분리막이 하게 됩니다. 하지만 완전히 막혀있으면 리튬이온이 이동하지 못하기 때문에 아주 작은 구멍이 뚫어 이온이 이동할 수 있도록 되어있습니다. 이런 구멍을 기공(Pore)이라고 부릅니다. 고온에도 견딜 수 있어야 하고, 열수축 반응에 대한 안전성이 우수해야 하기 때문에 폴리에틸렌(PE)과 폴리프로필렌(PP)이 주로 사용되고 있습니다. 현재는 고온에 견딜 수 있도록 여러 소재를 결합하고, 코팅을 한 분리막을 사용하고 있습니다. 제조사에 따라 SRS(Safety Reinforced Separator) 분리막, 세라믹 코팅(CCS) 분리막 등으로 부르고 있습니다.

리튬이온 배터리 작동 원리

  리튬이온은 양극과 음극 사이를 이동하게 됩니다. 양극에서 음극으로 Li+가 이동하는 과정이 충전이며, 음극에서 양극으로 Li+가 이동하는 것이 방전입니다. 단순히 리튬이온만 이동한다면 전기를 얻을 수 없는데요. 이때 양극과 음극 사이에 도선을 하나 연결하면 전자(e-)가 도선을 타고 이동하게 됩니다.

 그렇게 되면 분리막을 통해 음극에서 양극으로 Li+가 이동하고, 동시에 전자(e-)는 도선을 타고 음극에서 양극으로 이동하게 되죠. 전류는 전하의 흐름을 뜻하는데, 음전하를 띠는 전자(e-)가 이동하게 되니 전류가 흐르고 전기가 생기게 되는 것입니다. 전류의 방향은 전자의 방향과 반대이므로 전류는 플러스(+)에서 마이너스(-)로 흐르게 됩니다. 

리튬이온 배터리 원리와 종류 (NCM, NCMA, LFP)

 

배터리 용어 [용량, 출력, 내부저항(IR), 전류, 전압]

 

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