리튬이온배터리 구조와 작동원리

 

 

 

지난 시간의 아래의 링크를 통해서 2차 전지 배터리 기초지식에 대해서 알아보았는데요.

혹시라도 2차 전지가 무엇인지 궁금하신 분들 위해 간단하게 1차 전지는 다시 충전이 되지 않는 전지를, 2차 전지는 다시 충전을 해서 쓸 수 있는 휴대폰/전기자동차 등에 쓰이는 전지를 말합니다.

리튬이온배터리를 구성하는 4가지 구성요소에 대해서 언급을 했습니다. 본 글에서는 이 4가지 구성요소가 어떻게 구성이 되어있으며 배터리가 작동되는 원리에 대해서 간략하게 알아보도록 하겠습니다. 

 

 

 

2차 전지 배터리 기초 지식 (배터리 구조, 제조 공정)

 

 

 

 

 리튬이온배터리 4가지 구성요소

 

리튬이온배터리는 리튬 이온이 양극재와 음극재 사이를 이동하는 화학적 반응을 통해 전기를 만들어냅니다. 양극의 리튬이온이 음극으로 이동하며 배터리가 충전이 되고 음극의 리튬 이온이 양극으로 돌아가며 에너지를 방출하고 방전이 되는 원리로 배터리가 사용됩니다. 이 때 아래 그림에서와 같이 양극과 음극 사이에서 리튬 이온의 이동통로 역할을 해주는 전해질과 양극과 음극이 서로 닿지 않게 해주는 분리막이 필요합니다. 

일반적으로 위에서 언급한 양극재, 음극재, 전해질, 분리막을 리튬이온배터리를 이루는 4가지 요소로 봅니다.

 

 

 

 

 

 

자료 : 배터리 인사이드

 

 

여기서 우리가 중학교 2학년 과학 시간에 배우는 양이온, 음이온에 대해서도 간략히 알고 계셔야 조금 더 이해가 쉽습니다. 양이온은 중성의 원자가 전자를 잃게 되어 양이온이 되고 (+) 전하를 띄게 되며, 음이온은 중성의 원자가 전자를 얻게 되어 음이온이 되고 (-) 전하를 띄게 됩니다. 기초 지식을 알고 배터리 구성 4요소에 대해 간략히 알아보도록 하겠습니다.

 

 

 

1. 양극재

- 리튬이온배터리에서 리튬이 들어가는 공간을 말하며, 리튬은 전자를 잃고 양이온이 되려는 경향이 강해서 양극 소재로 적합

- 단, 원소 상태의 리튜은 불안정하므로 산소를 결합한 리튬 산화물 형태로 양극에 사용

- 양극재는 배터리 성능에서 중요한 '용량'과 '전압'과 관련된 소재로, 리튬 비중이 높을수록 배터리 용량이 커지고 배터리 전압은 양극의 전위차에 의해 결정되므로 양극의 구조에 따른 전위값이 전압에 큰 영향을 줌

 

 

 

 

 

2. 음극재

- 음극재는 양극에서 나온 리튬 이온을 저장 및 방출하여 외부 회로를 통해 전류가 흐르게 하는 역할을 함

- 배터리가 충전상태일 때 리튬 이온은 음극에 존재하는데, 이 때 양극과 음극을 도선으로 이어주면 리튬 이온은 전해질을 통해 양극으로 이동, 리튬 이온과 분리된 전자는 도선을 따라 이동하며 전기 발생

- 음극재로는 많은 이온을 저장할 수 있는 흑연이 주로 사용되나, 리튬 이온을 저장하고 방출하는 과정이 반복될수록 흑연의 구조가 변화하며 저장할 수 있는 이온의 양이 줄어드는데, 이로 인해 배터리 수명이 줄어듦

 

 

 

3. 전해질

- 전해질은 배터리 내부의 양극과 음극 사이에서 리튬 이온이 원활하게 이동하도록 돕는 매개체

- 전해질은 리튬 이온의 원활한 이동을 위해 이온 전도도가 높은 물질이어야 함

- 안전을 위해 전기화학적 안정성, 발화점이 높아야 함

- 현재는 액체 전해질이 널리 사용되고 있으며, 안전성과 성능이 더 뛰어난 고체나 젤 형태 전해질 연구 개발 중

 

 

 

4. 분리막

- 분리막은 양극과 음극의 물리적 접촉을 차단하는 역할

- 분리막에는 미세한 구멍이 있어 리튬이온이 이동할 수 있게 되어 있는데, 이는 양극과 음극 간의 접촉은 막고 이온의 이동이 가능하게 하기 위함

- 분리막은 안전을 위해 높은 전기절연성과 열 안정성이 요구되며, 일정 이상의 온도에서는 자동으로 이온의 이동을 막는 기능도 갖춰야 함

- 분리막에는 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP)이 널리 쓰이고 있으며, 배터리 소형화를 위해 분리막을 얇게 만드는 연구 진행 중

 

 

 

 

※ 본 글은 배터리인사이드의 내용을 기반으로 작성되었습니다.