전지의 원리와 구조
전지 (Battery) : 화학 에너지를 전기 에너지로 바꾸는 장치
즉, 배터리란 에너지 저장 장치를 의미한다. 배터리 셀 내부의 자발적인 화학작용을 통해 그것을 전기 에너지로 바꾸어 외부 장치에 에너지를 공급한다.
전지의 종류는 재사용 가능 여부에 따라 1차전지와 2차전지, 두가지로 나뉜다.
1차 전지란, 재사용을 할 수 없는 1회성 전지를 의미한다. 우리가 흔히 보는 건전지가 이에 해당한다.
2차 전지란, 방전 후에 충전을 통해 재사용이 가능한 전지이다. 휴대 전자기기, 산업용, 차량용 배터리 등등 우리가 일상생활에서 충전해 사용하는 모든 제품에 들어가는 배터리이다. 2차전지의 종류 역시 다양하다. 납축전지, 니카드 전지, 니켈 수소 전지, 리튬 이온 전지 등이 있다. 물론 그 중 리튬이온전지가 차지하는 비중이 압도적으로 크고, 나 역시 리튬 이온 전지를 공부할 예정이다.
기본 작동 원리
배터리, 특히 셀 개발 분야는 전기화학을 기반으로 하는 기술이다.
고로, 옆의 이미지는 배터리를 공부해봐야겠다! 하면 가장 먼저 보는 그림일 것이다. 최초의 1차 전지라 불리는 Voltaic Cell (볼타전지)의 그림이다. 양극에 동, 음극에 아연, 전해액에 황산을 이용한 전지로 0.76V의 전압을 갖는다.
배터리의 기본 원리는 산화와 환원이다.
볼타 전지의 경우, 음극인 아연판이 전자를 두개 잃어 산화되면 전자가 전선을 통해 양극인 구리판으로 이동하고, 전해액인 황산 용액의 수소 이온에 전자를 주어 수소 가스가 생성된다.
배터리는 기본적으로 양극, 음극 두개의 전극과 전해액과 분리막으로 구성된다.
음극 (anode) 이란, 전자를 공급하는 전극이다. 음극이 산화되어 전자를 잃으면, 그 전자는 도선을 통해 양극 (cathode) 으로 이동한다. 이 과정을 방전 (dischange) 이라고 부른다. 도선을 통해 전자를 방출하며 저장된 에너지를 잃는 과정이다.
반대로, 충전 (charge) 은 외부에너지를 통해 음극이 다시 전자를 흡수하며 원래의 상태롤 돌아가는 과정이다.
전지의 4대 구성 요소
이는 양극, 음극, 분리막, 그리고 전해질로 구성된다. 음극과 양극 사이의 전자 이동을 통해 에너지를 방출한다. 두 전극 사이에 분리막이 자리해 두 전극이 맞닿는 것을 방지한다. 또한, 전자의 이동을 원활히 하기 위해 전해질이 존재한다.
1. 음극 (anode)
음극은 배터리의 두 전극 중 더 낮은 전극 전위(electrode potential)를 갖는 전극을 의미한다.
(as reactions at the anode usually take place at lower electrode potentials than at the cathode, the terms negative and positive electrode are used. The more negative elctrode is designated the anode, whereas the cathode is the more positive one. ( What Are Batteries, Fuel Cells, and Supercapacitors? | Chemical Reviews (acs.org))
음극은 낮은 전극 전위 (낮은 표준 환원 전위)를 갖는 전극으로, 산화되기가 쉬운 극을 의미하므로 전자를 제공하는 전자의 source가 된다. 그렇기 때문에 전지에선 음극에 주로 자유전자가 풍부한 금속(Zn, Pb, Cd, Li 등)을 사용한다. 납축전지, 카드뮴 전지, 리카드 전지 등이 과거에 많이 사용되었던 이유이다. 하지만 그와는 다르게 리튬 이온 전지는 흑연을 음극에 사용해 리튬 이온이 양,음극을 왔다갔다하는 구조를 갖는다. 흑연은 구조 내의 리튬이온의 저장 및 이동이 쉽고 가격이 저렴해 주로 사용되고 있다.
2. 양극 (cathode)
양극은 더 높은 전극 전위를 갖는 전극으로, 환원되기가 쉽고 전자를 받아들이는 극을 의미한다. 음극으로부터 전자와 이온을 받아 전지 반응을 완성하는 전극으로 주로 산화물이나 황화물과 같은 세라믹 소재를 사용한다. (공기전극이 사용되기도 한다. 예: 연료 전지)
리튬이온전지의 경우 리튬이온의 source가 되는 전극이기도 하다. 흔히 보이는 전지의 종류 LCO, NCM, LFP 등등은 모두 양극의 소재를 가리키는 말로, 리튬 산화물이다. 이는 전지의 용량을 결정하는 주요한 소재로, 가장 많은 개발이 행해지는 분야이기도 하다.
3. 분리막 (separator)
분리막은 양극과 음극 사이에 존재하는 막으로, 두 전극이 맞닿는 것(short;단락)을 방지한다. 양극과 음극의 전류는 도선을 통해서 흘러야 외부에 일을 전달할 수 있다. 하지만 양극과 음극이 직접 접촉을 해서 short가 발생하면 열만 발생하고 전기를 생산하지 못한다. 그렇기 때문에 배터리 환경과 반응하지 않는 겔 전해질이나 다공성의 폴리머 필름 등의 분리막을 사용해 전류의 흐름은 막고 이온만이 통과할 수 있도록 한다.
( What Are Batteries, Fuel Cells, and Supercapacitors? | Chemical Reviews (acs.org))
4. 전해질 (electrolyte)
전해질은 양극간에 순수 이온 전도도 (pure ionic conductivity - pure는 뭐임)를 제공해 이온의 원활한 흐름을 돕는 역할을 한다. 양극간의 이온은 전해질의 전해액 채널(pathway; channel)을 통해서만 이동할 수 있다. 전해질은 전극 안의 내부 공간을 채워 전해액 채널을 제공해 이온의 원활한 흐름을 돕는다.
이때 전해액 채널을 형성하지 않는 전해액을 '자유 전해액'이라고 한다. 전해질의 이온 전도도는 소재의 특성과 더불어 염의 용해 수준, 그 porosity에도 영향을 받는다. 염이 용매에 균일하게 잘 녹지 않은 부분, porosity가 낮은 특정 부분이 있다면 그 부분엔 전해액 채널이 잘 형성되지 않을 수가 있다. 그렇기 때문에 이온 전도도가 낮은 부분, 혹은 아예 채널이 형성되지 않은 부분이 존재할 수 있다.
또한, 배터리 충방전 사이클을 오랫동안 방전하다보면 전해질이 마르기도 한다. 전해질이 마른 부분은 이온이 이동이 원활하지 않아 용량 저하를 일으키기도 하고 열이 발생해 전해약의 증발을 가속시키기도 한다.
리튬 이온전지는 주로 LiPF6 (리튬인산철)을 전해질로 사용한다.