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산업과 기술에 대한 이해

딱 네 가지로 끝. 리튬이온 이차전지 구조와 역할!?

리튬이온이차전지 구조 역할 

 

 

 

 

안녕하세요 정리남입니다^^

지난 시간에 이차전지란 충전가능한 배터리이다 라고 간단히 알아보았죠!?

이번 시간에는 '리튬이온 이차전지의 구조와 역할'에 대해 알아보겠습니다. 

 

 

 

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이차전지의 구성요소 '네 가지' 와 구조 

이차전지의 구성요소는, 크게 '네 가지'로 나누어 볼 수 있습니다. 

구성요소는 크게 1. 양극  2. 음극  3. 분리막  4. 전해액 으로 구성됩니다. 그리고 여기에서 조금만 더 들어가보면 각 양극과 음극의 구조는 또 다시 기재와 합제로 나뉘어 지고, 마지막으로 합제활물질 + 도전제 + 바인더로 구성이 됩니다. 정리하면 아래와 같은 것이죠. 

 

 

 

이차전지 구성요소, 이차전지 구조

 

 

 

 

이 구성을 보면 다소 복잡하게 느껴지실 수 있을 텐데요.

하지만 아래와 같이 그려놓은 리튬이온 이차전지의 구조를 보시고 이미지화해서 기억해 두신다면 조금 더 쉽게 다가오실거라 생각합니다!

 

 

 

이차전지의 구조는 아래 그림처럼, 양극과 음극을 기준으로 이 사이에는 전해액으로 채워져 있고 전해질 가운데에는 분리막이 있는 구조로 되어 있습니다. 크게 보면 이들 네 가지 구성요소이지만 조금 더 살펴보면, 양극의 경우 파랑색 동그라미가 활물질, 그옆에 노랑색이 도전제, 그리고 표시는 안되어 있지만 활물질 사이사이에 실지렁이처럼 감겨있는 바인더가 있습니다. 음극 역시 마찬가지이죠.

 

 

 

이들 활물질과 도전제는 '가루 형태'이기 떄문에 이들로 전극을 만들어 주기 위해 알루미늄 또는 구리로 된 판(=기재)에 풀과 같은 역할을 하는 바인더를 통해 발라주게 됩니다.

 

 

 

 

 

리튬이온 이차전지의 구조 

 

 

 

 

한편,

양극과 음극에 사용되는 활물질을 위 그림상으로는 '파랑색과 초록색의 동그라미'로 크게 표시했습니다만, 그 동그라미가 실제로는 여러 물질들이 결합되이 있는 어떠한 '결합구조'를 띄고 있습니다. 이를 표시한 게 위 그림에서 빨간색 점선으로 표시한 동그라미 입니다. 그리고 이 부분만 확대해 그려보면 아래와 같습니다. 양극 활물질은 리튬과 산소가 결합된 구조를 형성하고 있으며, 음극 활물질은 흑연들이 결합된 격자구조를 형성하고 있는 것입니다. 

 

 

 

 

리튬이온 이차전지의 구조 (활물질 기준으로 확대)

 

 

** 물론, 위 구조는 제가 여러 웹사이트를 통해서 알아본 자료를 토대로 재구성해 그려놓은 것입니다. 따라서 실제와 비교하면 대략적인 구조에 불과하다는 점 참고하시길 바랍니다. 그냥 '대략적인 구조가 이렇나보다'라고 생각하고 계시면 될 것 같습니다. 

 

 

 

 


그렇다면 이제부터 '리튬이온이차전지'에서 각 부분이 하는 역할에 대해 한번 알아보겠습니다!

 

 

 

1. 양극

배터리의 '용량'과 '전압'을 결정!

기재 + 합제(활물질 + 도전제 + 바인더)로 구성

산화물의 형태로 충전과 방전의 핵심이되는 '리튬원자'가 존재!

 

 

 

1) 배터리의 성능을 결정하는 '활물질(Active material)'

: 리튬이온전지의 경우, 충전과 방전에 핵심이 되는 물질로 양극에 리튬원소가 있다고 말씀드렸었는데요, 실제로는 리튬원소는 반응이 불안정해, 실제로는 산소가 결합된 리튬계열의 산화물이 사용됩니다. 이처럼 충전과 방전에 실제 반응하는 물질을 '활물질'이라고 합니다. 

 

 

 

 

리튬이온배터리에서 활물질인 리튬산화물의 간단한 모식도

 

 

 

 

이차전지의 양극과 음극에는 이러한 활물질이 있습니다.

그런데 이 양극의 활물질이 무엇이냐에 따라 배터리의 '용량'과 '전압'이 결정됩니다. 물론, 음극의 활물에 따라서도 전압이 달라질 수 있으나, 양극이 상대적으로 활물질에 따른 전압차이가 크므로 배터리의 전압을 결정하는데 더 큰 역할을 한다고 보시면 됩니다. 

 

 

 

배터리의 용량과 전압을 곱하면 에너지량이 산출됩니다. 

에너지량에 따라서 어떠한 전자기기(=부하)에 연결하였을 때, 얼마나 오래 사용할 수 있을지를 결정하게 됩니다. 예컨데 에너지량이 10Wh인데, 전자기기의 소모전력이 1Wh라면 10시간을 사용할 수 있게 되는 것이죠. 

 

 

 

즉, 이 용량과 전압이 결국 배터리를 얼마나 오래 쓸 수 있는지를 결정짓기 때문에, 이것들을 결정짓는 양극활물질이 중요한 것입니다. 

 

 

 

2) 이온화된 전자의 전도성을 높이는 '도전제(Conductive Agent)'

: 활물질인 리튬산화물의 전도성을 높이는 역할을 합니다. 리튬산화물에서 이온화된 전자의 흐름을 촉진시키는 역할을 하는 것입니다. 그런데 만약 도전재의 양을 줄이고 그 만큼 활물질을 더 넣을 수 있다면, 그 만큼 더 많은 리튬산화물을 양극에 포함시킬 수 있습니다(=배터리의 용량이 증가).

 

 

 

3) 알루미늄 기재와 합제를 연결시키는 '바인더'

: '활물질 + 도전제는 가루형태로 존재합니다. 따라서 이들과 전극역할을 하는 알루미늄 기재를 연결시키기 위해서 일종의 접착제 역할을 하는 바인더를 섞어주는 것입니다. 위의 그림에서 바인더를 그려넣지는 않았지만 대략 아래와 같이 실지렁이들이 활물질 사이에 얽혀 얽혀있는 형태인 것으로 파악됩니다. 

 

 

 

바인더의 형태 : 이미지출처 : http://www.sateng.co.kr/business/battery

 

 

 

 

 


2. 음극

충전시, 양극으로부터 이동된 이온화된 리튬이온과 전자를 '저장'하는 역할!

 

 

 

: 음극 역시 양극과 동일하게 기재와 합재의 형태로 구성되어 있습니다. 다만, 양극과 다른점은, 리튬이온 배터리에서 음극활물질은 '흑연(Graphite)'이 사용다는 점입니다. 이 흑연 활물질은, 충전시 양극에서 음극으로 이동된 리튬이온과 전자가 저장되는 역할을 수행합니다. 흑연의 구조는 탄소가 결합된 형태인데, 이 탄소 6개당 한개의 리튬원자를 저장할 수 있다고 합니다. 만약에 흑연이 아니라 다른 물질을 음극활물질로 사용하여 더 많은 이온을 저장할 수 있다면 배터리의 용량을 증가 시킬 수 있게 됩니다.

 

 

 

한편, 음극의 활물질은 양극과 다르게 반응성이 적고, 구조적으로 안정적이며, 리튬이온을 많이 저장할 수 있는 조건, 가격 등을 고려하여 선정한다고 하네요.

 

 

 

 

흑연 구조 : 출처 : 네이버 지식백과 - 화학대사전 '흑연구조'

 

 

 

 

 


3. 분리막

전자를 빼고 리튬 이온만 통과시켜주는 필터역할을 함과 동시에

양극과 음극이 섞이지 않도록 하는 안전장치!

 

 

 

: 분리막 전해액과 함께 배터리의 '안전성'에 중요한 역할을 수행합니다충전이나 방전을 할 때, 양극과 음극의 직접적인 접촉을 차단하면서 리튬이온만 통과시켜주는 필터역할을 하기 때문입니다. 예컨데 만약 분리막이 없어 리튬이온과 전자가 한꺼번에 이동된다면 반응이 기하급수적으로 늘면서 열을 발생시키고 이것이 폭발로 이어질 수 있습니다. 또한 전위가 서로다른 양극과 음극이 섞인다면 이것이 결국 '합선'인 것이고(=저항이 0인 상태에서 대단히 큰 전류가 흐름) 열발생에 의한 폭발로 이어질 수 있습니다. 

 

 

 

실제로 화재나 폭발의 대부분의 경우는 이 분리막에 문제가 생겨 양극과 음극의 물질이 서로 뒤 섞여 화학반응을 일으키는 경우라고 합니다. 

 

 

 

 

 


4. 전해액

전자의 이동을 막는 안전장치!

리튬이온이 전극 사이를 오갈 수 있게 하는 매개체 역할

이온의 이동을 촉진시켜 전도성을 높이는 촉매 역할

 

 

 

**먼저, 전해액과 이온에 대해 알아보자!

: 이온은, (+)와 (-)가 균형을 이루어 중성을 띄고 있던 원자가 '전자'를 잃어 (+)상태가 되거나, 전자를 얻어 (-)상태가 된 것을 말합니다. 중성인 원자가 전자를 얻게 되어 (-)전하를 띄면 '음이온', 전자를 잃게되어 (+)전하를 띄면 '양이온'이라 합니다. '전해액'은 이러한 이온이 들어있는 액체입니다.

 

 

 

양이온과 음이온

 

 

 

소금(NaCl)을 물에 녹이면 Na+와 Cl-로 분리됩니다. 이 소금물 상태가 바로 전해질입니다. Na+라는 양이온과 Cl-라는 음이온이 액체속에 녹아 들어있기 때문입니다. 이렇게 이온은 (+) 또는 (-)의 '극성'을 띄기 때문에 이 소금물(=전해액)에 전류를 흘려주면 양이온인 Na+는 (-)극에, 음이온인 Cl-는 (+)극에 달라붙습니다. 

 

 

 

 

 

방금 말한 것과 같이 '이온은 (+) 또는 (-)의 극성을 띈다' 라는 관점에서 봤을때, 

'충전 중'양이온화된 리튬이온은, 이 전해액을 통해 배터리 내부의 전체 균형을 맞춰주기 위해  (+)극에서 (-)극으로 이동하게 됩니다. 방전시에는 반대로 이동하게 되죠. 즉 충전과 방전시, 두 전극 사이를 오가야 하는 리튬양온의 '이동매개체'가 되는 것입니다.

 

 

 

이 전해액은 전자에 대한 전도성이 없기 때문에 분리막과 함께 전자의 이동은 허용하지 않습니다. 덕분에 전자는 도선을 통해, 리튬양이온만 전해액을 통해 흐르면서 배터리의 과반응에 의한 위험성을 낮춰주는 역할을 하게 되는 것이죠. 또한, 상대적으로 전자의 이동속도보다 느린 리튬양이온의 이동을 빠르게 하는 촉매역할을 하기도 합니다. 

 

 

 

 


정리

나름 어렵지 않게 납득이되는 정리를 해보려 했는데 조금 길어진것 같습니다.

혹시 잘못된 내용이 있다면 알려주시면 확인하여 수정하겠습니다 ^^ 

아래와 같이 요악하며, 다음 포스팅은 배터리의 용량과 에너지에 대해 간단히 정리하고, 그 다음에 '이차전지의 원리' 포스팅으로 넘어가도록 하겠습니다. 

 

 

 

-. 이차전지는 크게 양극/음극/전해액/분리막 네가지로 구성된다.

-. 양극과 음극에는 실제 충전과 방전에서 산화-환원 반응에 참여하는 활물질이 존재한다.

   리튬이온이차배터리에서 양극활물질로는 리튬계산화물이, 음극활물질은 흑연이 사용된다.

-. 양극은 배터리의 용량과 전압을 결정한다. 

   전압과 용량을 곱하면 에너지양이 되고 이것을 부하에 연결하였을때 얼마나 오래 사용할 수 있을지 결정된다. 

-. 음극은 양극에서 이동된 리튬이온과 전자를 '저장'하는 역할을 한다. 

   흑연은 탄소구조로 탄소 6개당 한개의 리튬원자를 저장할 수 있다.

    만약 흑연이 아니라 더 좋은 많이 저장할 수 있는 활물질을 사용한다면 배터리 용량이 증가될 것이다. (이는 양극도 마찬가지!)

-. 도전재는 양극과 음극에서 이온화된 전자의 이동속도(=전도성)를 높여주는 보조제이다.

-. 바인더는 가루형태의 합제를 양 극판(=기재)에 붙여주는 접착제 역할을 한다.

-. 분리막과 전해액은 모두 반응성이 큰 리튬전지의 '안전성' 역할에 일조한다. 

-. 분리막은 리튬이온만 이동시킬 수 있게 하며 리튬이온의 이동 매개체는 전해액이다. 

   또한 양극과 음극의 단락(=쇼트)을 막아준다

-. 전해액은 전자에 대한 전도성이 없으므로 역시 안전성에 도움을 준다. 

   또한 상대적으로 전자보다 느린 리튬양이온의 이동속도를 촉진시켜주는 촉매역할도 한다. 

 

 

 

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출처

1. https://www.samsungsdi.co.kr/column/technology/detail/56402.html?listType=gallery

2. http://it.chosun.com/site/data/html_dir/2016/09/30/2016093085003.html

3. https://m.blog.naver.com/hohwon/221317062190

4. http://study.zum.com/book/13414

5. https://medium.com/@youngji/%EC%A0%84%EC%A7%80-battery-%EC%9D%98-%EC%9B%90%EB%A6%AC-c209edc1ee53

6. https://www.industrynews.co.kr/news/articleView.html?idxno=34056

7. https://www.samsungsdi.co.kr/column/all/detail/55269.html

8. https://2sideline.tistory.com/entry/NaS-%EC%A0%84%EC%A7%80-%EB%82%98%ED%8A%B8%EB%A5%A8-%ED%99%A9-%EC%A0%84%EC%A7%80-%EC%A0%95%EC%9D%98-%EB%B0%8F-%EC%8B%9C%EC%9E%A5

9. https://blog.naver.com/tjdxor159/222038098431

 

 

 

 


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