배터리를 지배하는 자가 세상을 지배한다.
이 말은 현재로서는 차세대 2차전지인 리튬 이온 배터리와 전고체 배터리를 지배하는 자가 세상을 지배한다는 말이라고 해도 무방할 것 같습니다. 리튬 이온 배터리와 전고체 배터리가 뭐길래 세상을 지배할 수 있다고까지 할까요?
이번 포스팅에서는
리튬 이온 배터리의 원리, 장점과 문제점,
전고체 배터리란 무엇이고, 왜 주목받고 있는지,
한방에 알아보도록 하겠습니다!
1. 리튬 이온 배터리 원리
리튬 이온 배터리는 충방전이 가능한 2차전지의 한 종류입니다. 리튬은 지구상에 존재하는 가장 가벼운 알칼리 금속입니다. 우리가 중고등학교 시절 배웠던 주기율표 상에서 찾아보면, 리튬은 좌측 상단에 위치하는데요, 주기율표에서 좌측 상단으로 갈수록 부피가 작고 가벼운 물질입니다. 이러한 리튬을 배터리에 사용하게되면서 기존의 충전식 배터리보다 훨씬 더 크기가 작고 용량이 큰 배터리를 만들 수 있게 되었다고 합니다.
새로운 현상의 발견. 인터칼레이션 (Intercalation) : 리튬 이온이 변하지 않고 그냥 끼어있는 현상.
리튬이라는 물질을 2차전지의 재료로 쓸 수 있게 해 준 가장 큰 발견이 바로 '인터칼레이션' 현상입니다.
리튬 이온 배터리는 리튬 이온이 양극과 음극 사이를 전해질을 통해 이동하면서 전극에서 산화 환원 반응에 참여하는 과정을 통해 화학적 에너지를 전기적인 에너지로 변환하는 장치입니다.
리튬 이차전지를 구성하는 주 요소는 양극, 음극, 전해질 및 분리막입니다. 양극과 음극은 에너지 변환과정에서 가장 중요한 산화 환원 반응이 일어나는 장소를 제공합니다. 양극은 금속 산화물 계열, 음극은 흑연을 주로 사용합니다. 전해질은 양극과 음극 사이에서 리튬 이온이 이동하는 통로 역할을 하고 분리막은 양극과 음극이 맞붙지 않도록 전기적으로 절연을 시켜 주는 역할을 합니다.
리튬 이온전지의 작동원리는
방전 시, 음극에서 리튬이 리튬 이온으로 산화된 후 전해질을 통해 양극으로 이동하고 발생한 전자는 외부 도선을 통해 양극으로 이동합니다. 양극에서는 음극으로부터 이동해 온 리튬 이온이 삽입되면서 전자를 받아들여 환원 반응을 일으킵니다. 충전 시에는 반대로 양극에서 산화 반응이 일어나고 음극에서 환원 반응이 발생합니다.
이와 같이 양극재나 음극재의 결정구조 내로 리튬 이온이 삽입되는 현상을 인터칼레이션 (intercalation)이라고 부릅니다.
리튬 이온은 전해액을 매질로 하여 전극간에 이동하면 서 방전 시에 양극으로 삽입되고 충전 시에는 음극으로 삽입되는 반응을 보입니다. 이러한 전극 간의 리튬 이온의 이동을 ‘rocking-chair’ 또는 ‘스윙 효과’라고도 부릅니다.
2. 리튬 이온 배터리 장점
2차전지의 원조격이라고 할 수 있는, 니켈 카드뮴 배터리는 크기도 매우 클 뿐만 아니라, 사용 시 완전 방전하지 않고 충전을 하게 되면 전체 배터리의 용량이 줄어들게 되는 치명적인 단점이 있습니다. 이것을 '메모리 효과'라고 하는데요, 리튬 이온 배터리는 2차전지이면서도 크기가 작고 이러한 ‘메모리 효과’가 거의 없기 때문에 방전과 충전 정도에 관계없이 일정한 수준의 용량을 오랫동안 유지할 수 있는 것이 큰 장점입니다.
이러한 리튬 이온전지의 장점들은 기존의 2차전지를 단기간에 대체하여 현재 대부분의 모바일 기기의 전원으로 사용되고 하이브리드 자동차, 전기 자동차 전원에도 적용되는 등 시장을 빠르게 확대해 나가는 원동력을 제공하였습니다.
리튬 이온전지는 초기에는 휴대폰과 노트북 전원 등 소형전지를 중심으로 시장이 형성되어 왔으나 최근에는 전기 자동차 및 전력저장시스템 (Energy Storage System)의 등장으로 인해 중대형 전지 시장이 급격하게 팽창하고 있으며 RFID 카드용 전원이나 의료기기용 전원 등 초소형 리튬 2차전지에 대한 요구도 증가하고 있습니다.
3. 리튬 이온 배터리 문제점
1) 폭발 위험
리튬 이온 배터리는 액체 전해질을 사용하는데요, 고체 전해질보다 액체 전해질이 이온전도도가 훨씬 더 높아서 효율이 좋기때문에 사용하고 있습니다. 하지만 리튬 이온 배터리는 아직까지 외부 충격이나 충방전 과정에서 발열, 발화, 폭발(열폭주) 등이 발생하는 것이 문제가 되고있습니다.
근본적인 원인은 바로 액체전해질 때문입니다. 외부 충격에 의해 액체 전해질이 누액 되거나, 액체 전해질 사이에서 분리막이 약간만 훼손돼도 양극과 음극이 맞붙으면서 합선되어 발화 확률이 급격하게 상승합니다.
우리가 중학교때 배운 연소의 3요소 기억하시나요? 발화점 이상의 온도, 탈물질, 산소인데요,
리튬 이온 배터리 폭발 현상 시 적용시켜보면,
발화점 이상의 온도 = 양극과 음극의 합선,
탈물질 = 합선으로 발생한 전해액 가스,
산소 = 전해액 가스로 인해 배터리 부피가 커지면서 유입된 산소
라고 할 수 있습니다. 만약 고용량의 배터리라면 그 위험성도 훨씬 더 높아지게 됩니다.
그래서 대안으로 나온 것이 리튬 폴리머 (polymer) 배터리입니다. 애플사의 아이폰에서 사용 중인 배터리이기도 한데요, 배터리에 사용되는 전해질이 완전 액체가 아닌 폴리머 형태 즉, 젤 같은 형태입니다. 완전 액체 전해질을 사용할 때 보다 안정성과 위험성이 개선되었지만, 그래도 여전히 폭발 사고가 발생하고 있고, 폴리머 전해질을 활용한 고용량 배터리 제작에도 어려움을 겪고있다고 합니다.
2) 크고, 무겁고, 비싸다
기존의 액체전해질을 사용하는 리튬 이온 배터리의 특성상 안정성을 높이기 위한 부품이나 장치가 필수적으로 필요합니다. 액체 전해질의 유출을 막기 위해 배터리 부품을 모두 밀봉하고 안전하게 보호하는 외장과 위험성을 줄이는 회로 장치 등이 그것인데요, 이러한 추가 장치들이 들어감에 따라 자연스럽게 배터리의 부피와 무게, 그리고 가격이 증가하게 됩니다.
4. 전고체 배터리가 왜 필요한가
전고체 배터리는 고체 전해질을 사용하기 때문에 폭발 위험성이 현저히 감소하고 기존의 리튬 이온 배터리보다 부피와 무게 감소하게 됩니다. 그에 따라 공간 활용에 유리하여 고용량 배터리 제작도 용이하게 됩니다.
전고체 배터리는 고체 전해질을 사용하여 이 자체가 분리막의 역할을 하기 때문에 분리막이 따로 필요 없습니다. 고체 전해질은 구조적으로 단단해 안정적이어서 훼손될 확률이 낮고 양극과 음극이 합선될 확률도 낮아지기 때문에 폭발 위험이 현저히 감소하고 안정성이 대폭 증가하게 됩니다.
폭발이나 화재 위험이 사라지기 때문에 안정성과 관련된 부품들을 줄이고 그 자리에 배터리의 용량을 늘릴 수 있는 물질을 채울 수 있게됩니다. 또한 안정성을 높이기 위한 추가 장치가 필요 없기 때문에 기존 리튬 이온 배터리에 비해 부피와 무게가 감소하고 가격도 낮아지는 효과를 볼 수 있습니다. 고체 전해질은 만약 훼손되더라도 형태를 유지할 수 있기 때문에 더욱 안정성면에서 유리합니다. 이러한 장점이 있기 때문에 고용량 배터리 제작에 훨씬 더 유리한 것이 바로 전고체 배터리입니다.
특히 전고체 배터리는 큰 용량과 가벼운 무게를 필요로 하는 전기차 배터리에 안성맞춤이라고 합니다. 이러한 전고체 배터리에 대한 관심이 높아지면서, 실제로 대기업 (삼성 SDI, LG에너지솔루션 등)에서도 현재 활발히 연구 진행 중이라고 하네요.
아마 전기 자동차에 들어갈 만한 용량의 전고체 배터리가 개발되고 상용화된다면 배터리 역사에 또 한 번의 큰 획을 긋는 일이 되지 않을까 하는 생각입니다.
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