알아두면 좋은 리튬이온 전지의 기초지식 ... 구조편(초보)
*초보자로서 공부의 일환으로 정리한 것이므로 용어 등이 적절하지 않을 수 있음.
지금까지는, PC나 스마트폰등의 전자 기기에서 사용되어 온 리튬이온 배터리가 용도를 넓히고 있다. "미래의 프라이스 리더"가 되는 것이 자동차다. 각사가 2030년경에는 전기자동차(EV)에의 전환을 표명하고 있는 가운데 자동차용의 리튬이온배터리는 현재도 경쟁이 치열하다.
급속히 부상하고 있는 리튬이온 배터리이지만, 원래 어떻게 하고, 전기를 충전해, 방전하는지 구조를 이해할 수 있도록 설명해 본다.
1. 1차전지와 2차전지의 차이, 리튬이온전지의 충전 및 방전 구조
2. 구성부재 ① 정극
3. 구성부재 ② 부극
4. 구성부재 ③ 전해액
5. 구성부재 ④ 세퍼레이터
1. 1차전지와 2차전지의 차이, 리튬이온전지의 충전과 방전 구조
◇ 1차 전지와 2차 전지의 차이
통상 전지로 불리는 화학전지는 1차 전지와 2차 전지로 나뉜다. 1차 전지는 사용 중에 전압이 내려가는 「일회용」의 전지다.
리튬이온 전지등의 2차 전지는, 충전하는 것을 「반복」하여 사용할 수 있는 전지를 말한다.
1차 전지는 시간이 지날수록 전압이 내려가는 반면 2차 전지는 어느 시간까지 일정한 전압을 유지하다 갑자기 내려가는 것이 특징이다.
여기에서는 2차 전지의 대표로서 리튬이온 배터리에 대해 설명한다.
◇ 리튬이온전지의 충전·방전 구조, 리튬이온 배터리의 특징은 다음와 같다.
· 전기 저장 가능
· 양산방법이 확립되어 있다
· 어느 정도 대형화가 가능
다만 저온 또는 고온 환경에서는 반응이 잘 일어나지 않는다.
◇ 방전 구조
기본적으로 전지는 전기적으로는 「중성」이다.
리튬이온은 원래 하나 더 플러스의 전하를 가진다. 이것이 부극인 마이너스극과 결합하여 전기적으로 중성이 된다.
전지 내에 쌓인 전기가 외부로 빠져 나올 때는 외부에 방전회로를 만든다. 그 회로를 통해서 전기를 꺼낸다.
그러면, 전지내의 부극에 있는 리튬이온이 정극을 향해 튀어 나온다. 그 때에 리튬 이온과 결합되어 있던 전자를 꺼내는 것으로, 전기에너지를 낳는다.
이동한 리튬이온은 정극에 머무른다.
부극에서 정극으로 이동할 수 있는 리튬이온이 없어지면 방전이 멈춘다. '충전 부족' 상태다.
◇ 충전 구조
방전과 같은 동작을 '정극에서 부극'을 향해 한다.
외부 전원에서 전지의 부극으로 들어가면 정극인 리튬이온이 부극으로 이동한다.
리튬이온은 음극으로 전자와 결합한다.
음극으로 외부에서 가져온 전자와 리튬이온이 연결된다. 이 상태가 전기적 중성이며, 다시 전기를 꺼낼 수 있는 「충전 완료 상태」가 된다.
전지의 주된 구성 요소는 4가지. 정극(正極)과 부극(負極), 전해질액, 세퍼레이터다. 그러한 기초적인 지식을 적으면서, 주요한 공급 요소를 설명한다.
◇ 구성재 ① 정극
리튬이온전지의 양극재로 유명한 것은 니켈산 리튬과 코발트산 리튬, 망간산 리튬 등 3가지다 . 다만, 니켈산 리튬은 안전성에 과제가 있어, 현재 널리 사용되는 것은 코발트산 리튬과 망간산 리튬의 2개.
또, 코발트는 레어메탈(희귀금속)로서 알려져 가격이나 안정공급의 면에서 단독으로 사용하는 것을 피하는 움직임도 있다. 그 문제점을 해결하는 것이 복합재다. 니켈과 망간 혹은 코발트와 망간을 혼합하여 만든다. 하지만 코발트 양을 줄이면 '열폭주'를 하기 쉬워진다는 지적도 있어 안전문제가 숙제는 남는다. 레어메탈 삭감의 관점에서, 기존의 플레이어 이외에도 신소재 스타트업등이 참가하기 쉽다고 한다.
◇ 구성재 ② 부극(負極)
부극재는 카본재인 흑연이 널리 사용된다. 대형 설비를 가지는 제조사는 한정되어 신규 진입장벽은 높다.
다만 탄소조성에는 결정적인 특허가 없어 세계 유수의 철강 생산량과 풍부한 천연흑연을 가진 중국 업체들이 두드러진다. BTR 등 중국계 메이커로 세계 점유율의 약 50%를 차지한다. 기술력을 높여 고성능화나 제조시의 에너지 저감 등 환경 측면에서의 매력 등, 가격경쟁 등에서 고려할 수 있다고 한다.
◇ 구성재 ③ 전해질액
이온의 운동에 의해 전하가 운반되는 이온전도에 의해 전기를 이동시키는 역할을 하는 물질이다. 리튬이온 배터리로 사용되는 것은 유기 전해질액.
리튬이온 전지의 충전과 방전 반응은 전해액을 통해 이온이 정극과 부극을 넘나드는 것으로 이뤄진다.
최종 제품에서 한국 업체와 중국 업체들이 약진하고 있으며, LG화학, 중국 현지 업체가 점유율을 높다고.
◇ 구성재 ④ 세퍼레이터
이온전도를 확보하면서 정극과 부극을 가를 수 있는 부재. 양극과 부극이 접하면 과열이나 발화의 원인이 되기 때문에 차폐하기 위한 세퍼레이터가 필요하다. 또 이온을 통과할 수 있도록 작은 구멍을 뚫어 놓았다.
세퍼레이터는 원래 일본 업체들이 강점을 갖는 영역이다. 최근에는 중국의 공세가 눈에 띄게 성장하고 있다고 한다.
비용절감 요구에 대응하기 위해, 각사 생산능력을 확충하고 있다. 또한 전지의 성능향상에 기여할 수 있는 재료개발도 더 중요하다는 사실.
