배터리의 작동 원리

2024.06.21 - [배터리/지식] - 배터리의 작동 원리 및 소재-4(분리막)

배터리의 작동 원리 및 소재-4(분리막)

(* 작주 글쓴이의 개인 일정으로 업로드가 조금 늦었습니다..)

 

 

이전 글에서 배터리에 들어가는 소재들의 전반적인 내용을 살펴보았다.

 

이번 글부터는 본격적으로 배터리의 작동 원리에 대해 알아보고자 한다.

 

 

배터리의 작동 메커니즘

배터리의 작동 원리

 

배터리의 작동 원리라는 것은 에너지 저장장치의 충전/방전이 이루어지는 과정을 말하는 것과 같다.

 

충전과 방전은 각각 어떤식의 원리로 이루어지는지 알아보고자 한다.

 

 

1. 충전(Charge)

 

양극재에 있던 Li+가 음극재로 도선을 따라 이동하는 과정을 의미한다.

 

단지 이온이 이동할 뿐인데 왜 충전이 되는건지에 대한 의문이 생긴다.

 

이 과정을 수식적으로 접근해보고자 한다.

 

 

1-1) 양극재

 

우선, 양극재에서 음극재로 산화되는 과정에서의 반응식을 살펴보고자 한다.

 

충전 시, 양극재 반응식 / 방전 시, 반응식 위치가 뒤집힌다.

 

(* 여기서 M은 Metal의 약자로 Ni, Co, Mn 등 금속물질을 칭한다.)

 

양극재의 소재마다 M 위치에 들어가는 원소가 다를뿐 동일한 반응식이기에 큰 틀에서 분석해 보고자 한다.

 

 

충전 과정의 양극재 내 화합물들의 역할

 

 

여기서 Li+과 e-는 배터리 내부 에너지 밸런스를 맞추는 역할을 하게 된다.

 

● Li+는 양극재에서 음극재 내부로 이동하면서 화학 에너지를 저장하게 된다.

(양극재가 기존에 갖고 있는 화학 에너지를 저장하면서 에너지 밸런스를 맞추는 역할을 한다.)

 

●  e-는 양극재에서  배터리 외부 회로를 통해 전기 에너지를 전달하게 된다.

(실질적으로 우리가 충전을 하는 전기 에너지를 담당하는 역할을 한다.)

 

 

2. 방전(Discharge)

 

음극재에 있던 Li+가 양극재로 도선을 따라 복귀하는 과정을 의미한다.

 

우리가 배터리를 사용한다의 의미는 방전의 의미와도 같다.

 

이 과정을 수식적으로 접근해보고자 한다.

 

 

2-1) 음극재

 

우선, 음극재에서 양극재로 Li+가 환원되는 과정에서의 반응식을 살펴보고자 한다.

방전 시, 음극재 반응식 / 충전 시, 반응식 위치가 뒤집힌다.

 

음극재의 소재는 보통 흑연(C)를 많이 사용한다.

(Si도 소재로서 사용되지만 두 원소 모두 14족 원소이기에 원자가 전자 수가 4개로 동일하여 반응식 또한 동일하다.)

 

방전 시 음극재에서 일어나는 반응식에서 각 화합물들의 역할에 대해 분석해보고자 한다.

 

방전 시 음극재 내의 화합물들의 역할

 

● Li+는 방전 되면서 음극재에서 전해질을 통해 양극재로 이동하게 된다.

(음극재에 저장돼있는 화학 에너지를 전기 에너지로 변환하면서 전자의 이동을 돕고 에너지 밸런스를 맞추는 역할을 한다.)

 

●  e-는 음극재에서 배터리 외부 회로를 통해 양극재로 이동하며 전기 에너지를 만든다.

(이때 전자의 이동은 전류를 형성하여 전기 에너지로 변환되면서 우리가 전자제품을 사용한다의 의미를 갖는다.)

 

 

결국 충전과 방전의 과정을 통틀어서 다음과 같은 반응식으로 쓸 수 있다.

 

충/방전 반응식

 

우리가 일상생활에서 휴대폰 / 노트북 / EV등 2차전지를 사용하는 장치를 사용할 때

 

위와 같은 반응식을 기반으로 충방전 과정이 반복적으로 일어나는 것이다.

 

 

*마무리 

 

이번 글에서는 배터리의 작동 원리에 대해서 알아보았다.

 

각 소재의 역할도 학습했고 이제 원리에 대해서도 알게 되었다.

 

이제는 슬슬 주제를 조금 Development를 해보고자 한다.

 

 

최근 화성시에 있는 모 회사의 배터리 화재가 크게 대두되고 있다. 

 

다음글에서는 위 사건과 관련된 배터리가 해결해야 할 과제 중 '열폭주'에 대해서 다뤄보고자 한다.

 

감사합니다 :)