2024.05.28 - [배터리/지식] - 배터리란 무엇인가?
배터리란 무엇인가?
1. 배터리란 무엇인가? - 배터리는 우리가 일상생활에서 흔히 볼 수 있는 스마트폰, PC, 자동차 등에 탑재되어 있는 전원 공급 장치이다.상시 공급이 아닌 우리가 필요할 때 배터리가 가지고 있는
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이전 글에서는 배터리가 무엇인지,
종류는 무엇이 있는지에 대해 간략하게 소개하는 글이었다.
이번 글에선 배터리의 작동 원리와 이론에 대해서 심도있게 들어가 보려고 한다.
원리를 이해하기 앞서 배터리에 들어가는 소재들의 역할을 살펴보고 넘어가려고 한다.
1. 배터리에 사용되는 소재
- 양극재
- 양극재는 배터리에서 리튬 이온이 이동하는 전극의 한쪽에 구성이 되는 소재이다.
정확한 명칭은 '양극활물질' 이라고 한다.
- 양극재는 배터리 충전 시 이온을 받아들이는 환원 과정 과 방전 시 이온을 방출하는 산화 과정을 일으킨다.
이 때 이온 전자(e-)가 외부 도선을 따라 이동하면서 전류를 발생시키게 된다.
- 배터리 내의 양극재의 역할은 크게 2가지 이다.
① 에너지 총량
② 평균 전압 (통상적으로 3.6V~4.2V)
-> 배터리의 퀄리티는 양극재의 퀄리티에 따라 바뀐다는 말을 해도 과언이 아닐 만큼 중요한 역할을 담당하고 있다.
실제로 배터리 원가의 40%는 양극재의 가격이기에 양극재의 가격에 따라 배터리의 가격의 변동폭은 크게 발생한다.
- 양극재로 쓰이는 소재는 크게 4가지로 분류된다.
① 리튬-코발트 산화물 (LiCoO2, LCO)
② 리튬-니켈-코발트-망간 산화물 (LiNiCoMnO2, NCM)
③ 리튬-철-인산염 (LiFePO4, LFP)
④ 리튬-망간 산화물 (LiMn2O4, LMO)
- 현재 배터리 업계에서는 NCM과 LFP를 가지고 연구를 활발히 진행하고 있다.
입자 구조를 보면 NCM이 LFP대비 충진률(APF, 단위 셀당 원자 부피 비율)이 높은 구조를 보이고 있다.
이는 NCM이 LFP 대비 에너지 밀도 면에서 우수하다고 할 수 있다.
하지만 안정성 면에서 NCM이 충진률이 높은 만큼 화재 위험성이 크기에 좋지 않은 것 또한 사실이다.
1-1) 왜 양극재는 Li를 쓰는가?
- 다른 원소도 있을텐데 굳이 왜 리튬이어야만 하는가에 대한 의문이 들 것이라 생각이 든다.
이를 설명하기 위해 앞서 전류를 발생시키는 원리에서 전자(e-)의 이동 과정에서 발생하는 산화-환원 과정을 소개했다.
즉 전자의 이동이 원활한 원소가 양극재의 소재로서 역할하기 위한 필요조건이라는 것이다.
크게 4가지의 이유에 의해 우리는 Li를 양극재 소재로서 활용한다.
① 산화성이 높기 때문이다
리튬은 주기율표에서 1족 원소이다. 최외각에 전자1개가 +전하를 띄며 핵주위를 돌고 있는 것을 확인할 수 있다.
원자의 배치는 오비탈 에너지 준위에 의해 1S에서 전자 2개가 있는 것이 안정적이다.
그렇기에 1S(2)2S(1)의 성질을 띄고 있는 Li는 전자를 이동시키려는 산화성이 높다는 성질이 있다.
② 충-방전 속도가 빠르다
다른 1족 원소들 대신 Li를 사용하는 이유이다.
Li+, Na+, K+를 비교해보면 이온 크기가 Li+가 가장 작은 크기와 이온 이동도를 갖고 있다.
쉽게 말해 가볍기 때문에 빠르다는 것이다.
③ 저장 용량 & 에너지 밀도가 높다
배터리는 기본적으로 저장 용량과 에너지 밀도가 높아야한다.
1회 충전 시 오래쓸 수 있는 배터리가 좋은 배터리라고 생각하는 것은 당연하다.
타 1족 원소 대비 Li는 원자량 대비 전하량이 가장 높다.
이는 에너지 밀도가 타 원소보다 높은 것을 다음과 같이 간단한 수식으로 확인할 수 있다.
이것의 의미는 Li는 저장 용량과 에너지 밀도가 높다라고 얘기할 수 있다.
④ 메모리 효과: 개인적으로 Li를 사용하는 가장 중요한 이유가 이 메모리 효과 때문이라고 생각한다.
메모리 효과란 배터리를 최대 방전시키기 전에 재충전하게 되면 충전된 용량을 최대 용량으로 기억하게 되는 현상이다.
ex) 예를 들어 스마트폰 배터리가 30%남아 있는 상황을 가정해보자.
우리는 일반적으로 '배터리가 부족하네'라고 생각하여 충전기를 이용해 충전을 할 것이다.
100%가 되기 위해선 70%의 배터리 용량을 채워주면 된다.
여기서 메모리 효과란 이 70%를 풀 충전 상태의 용량으로 기억하는 것을 말한다.
유저 입장에서는 배터리가 70%가 최대 용량이 되버린 상황이지만 배터리 입장에서는 100% 충전 상태로 기억하는 것이다.
주로 이런 현상은 Ni-Cd 배터리에서 발생하게 되는 것으로 알고 있다.
발생 원리는 크게 2가지가 있다.
- 결정 구조 변화: 배터리를 사용하며 내부 활물질의 결정 구조가 변하게 되는 현상.
- 전극의 불균일한 사용: 부분방전 시 특정 전극만이 주로 사용되고 나머지는 비활성화 상태가 되는 불균형 상태.
양극재로 사용되는 Li는 이러한 메모리 효과가 없다. 그렇기에 양극재의 소재로서 널리 사용되고 있다.
1-2) Li의 한계점
- 현시점에서 Li는 양극재 소재로서 최적의 소재로 결론이 난 상태이다.
하지만 배터리 업계에서는 차세대 배터리를 위한 소재 연구를 지속하고 있다.
최적화가 되었는데 굳이?에 대한 의문이 들 수 있다.
몇가지 단점 및 한계점에 대해 알아보고자 한다.
① 매장량의 부족
Li는 지구 지각에 0.006%의 질량 분율을 가지고 있다.
그마저도 칠레, 아르헨티나 등 남아메리카 국가에 매장되어 있는것을 알 수 있다.
자원도 부족한데 특정 국가에서 거의 독점하고 있다보니 의존성이 너무 높아지게 된다.
전기차 양산과정에서도 Li 가격에 의해 배보다 배꼽이 커질 수 있는 상황이 생길 수도 있다.
② 안정성 문제
Li는 1S(2)2S(1)의 알칼리 원소로 이온화가 잘되는 특성을 띄고 있다.
이는 이온화 에너지가 낮아 전자를 쉽게 산화하게 된다.
또한 Li의 전자 친화도 및 전기 음성도가 높기 때문에 화학 반응이 쉽게 일어나 폭발의 위험성이 있다.
보통 LiOH, Li2SO3등 반응 후에 사용되고 있다.
* 이를 해결하고자 현재 양극재를 기존 Li에서 Na로 변형하고자 하는 움직임이 보이고 있다.
사진외 장점으로 Na가 Li대비 자원 매장량이 대략 440배 정도 많다고 한다.
이번 글은 배터리의 작동 원리를 알기 전 배터리에 들어가는 각 소재 중 양극재에 대한 설명을 진행해봤다.
생각보다 양극재에 대한 내용이 많아 글을 나눠서 정리하려고 한다.
다음 글에서 음극재, 전해질, 분리막을 순차적으로 소개하고자 한다.
감사합니다 :)
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