안녕하세요! 정리남입니다!
이번포스팅은 이차전지의 마지막. 그 원리에 대한 설명입니다.
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** 아래는 충전과 방전과정 이미지입니다. (이미지 어렵게 그렸는데 퍼가실때 구독과 댓글 부탁드려요~)
이차전지의 충전과 방전 원리(리튬이온이차전지 원리)
이차전지는 방전을 통해 핸드폰과 같은 전자기기에 전기를 공급합니다. 그리고 다시 충전을하여 재사용 가능하게 만들죠.
이 때, 충전과 방전시 배터리 내부에서 일어나는 일련의 과정은 다음과 같습니다.
1. 충전 상태에서 → 방전 시
1) 충전상태에서 리튬원자는 '음극'에 있습니다.
2) 방전 시, 음극에 저장되어 있던 리튬원자가 리튬양이온과 전자로 분리되어 '양극'으로 이동합니다.
리튬원자에서 전자가 분리되는 과정이므로 '산화반응'에 해당합니다.
3) 전자는 연결된 배선을 따라 이동하고,
이 때 전류( = 전자의 이동 = 전기 발생)가 발생되어 연결된 부하(= 전자기기 등)에 전기를 공급합니다.
이는 물이 위에서 아래로 흐르는 것과 같이 '자발적인 움직임'입니다.
4) 리튬양이온은 '전해액을 통해 양극'으로 이동합니다.
5) 양극으로 이동된 리튬양이온과 전자가 만나 다시 리튬원자로 결합됩니다.
리튬이온와 전자가 합쳐지는 과정이므로 '환원반응'에 해당합니다.
2. 방전 상태에서 → 충전 시
1) 방전 상태에서는 리튬원자가 '양극'에 있습니다. (리튬원자 = 리튬이온 + 전자)
100% 방전된 상태라면, 음극에는 리튬원자가 모두 양극으로 이동된 상태인 것입니다.
2) 방전 상태에서 충전 시, 양극에 있던 리튬원자가 '리튬양이온'과 '전자'로 이온화됩니다.
리튬원자에서 전자가 분리되는 과정이므로 '산화반응'에 해당합니다.
3) 전자는 연결된 배선을 따라 '양극에서 음극'으로 이동합니다.
이 때, 전류는 발생되지 않습니다. 방전때처럼 '자발적인 움직임'이 아닌,
충전기라는 외부 에너지를 통해 억지로 음극으로 밀어주는 상황이기 때문입니다.
4) 리튬양이온은 '전해액을 통해 음극'으로 이동합니다.
5) 음극으로 이동된 리튬양이온과 전자는 음극의 활물질인 흑연의 구조속에 층층이 저장됩니다.
이 때 리튬원자와 전자가 합쳐지는 과정이므로 '환원반응'에 해당합니다.
위 내용이 충전과 방전의 과정이며, 이것들이 왜 이렇게 움직이게 되는지 그 이유에 대해 알아보겠습니다.
Q & A : 충전 상태에서 → 방전 시
Q1) 양극에서 충전 시, 리튬원자가 '리튬이온과 전자로 이온화'되는 이유?
A. 이는 리튬원자가 다른 원자들에 비해 이온화되기 쉬운 경향을 지녔기 때문입니다.
'이온화되는 경향'은 다른 말로 '반응성이 크다' 또는 '전자를 내어놓기 쉽다' 또는 '산화되기 쉽다' 라고 합니다. 아래는 금속의 이온화 경향을 나타내는데요, 가령 '금'의 경우는 반응성이 매우 작습니다. 따라서 환원되기 쉬운 금속이기 때문에 다른 금속에 비해 녹슬지 않습니다. 반면 리튬은 반응성이 굉장히 큰 성격을 지닌 물질이라, 쉽게 전자와 분리되어(즉, 산화되어) 이온화되려 합니다.
**리튬과 나트륨은 자연계에 탄산리튬, 염화나트륨의 혼합물 상태로 존재.
이렇게 순수한 리튬원자는 반응성이 너무 커서 사용하기에 안전하지 않습니다.
따라서 리튬원자 자체를 활물질로 쓰는 것이 아니라, 산소를 결합시킨 리튬산화물을 배터리의 활물질로 사용됩니다. 산소와 결합된 리튬원자는 굉장히 안정적인 구조를 갖게 됩니다(이 구조를 계속 유지하고 싶어하죠). 따라서 질문의 내용처럼, 충전을 위해 외부에서 전원을 걸어주면, 양극에서 산소와 결합물 상태로 안정적으로 있던 리튬원자가 억지로 산화리튬분자와 분리됩니다.
그렇게 떨어져 나온 리튬원자는 이것이 가진 큰 반응성에 의해 전자가 떨어져 나오게 되는 것입니다.
즉, 리튬산화물이 외부 동력에 의해 리튬산화물과 리튬원자로 분리되고 분리된 리튬원자는 이것이 가진 큰 반응성으로 전자와 분리되게 되는 것입니다. 그래서 충전시 리튬원자가 전자로 분리되는 것입니다.
** 이온화에 대한 내용은 바로 오른쪽 포스팅을 살짝 참고해주세요!(→ 여기)
Q2) 충전시 리튬과 분리된 전자가 '배선을 따라 음극으로' 흐르는 이유
A. 물은 높은 곳에서 낮은곳으로 흐릅니다. 이는 자연스럽고 자발적인 흐름이죠.
마찬가지로 전자의 자발적인 이동방향은 전위가 낮은 곳에서 높은 곳으로 흐르는게 자연스러운 흐름입니다. 앞선 포스팅에서 양극에 활물질은 전압이 높은 반면, 음극의 활물질은 전압이 낮다고 말씀드렸습니다. 따라서 전자는 음극에서 양극으로 자발적인 흐름을 갖게 됩니다. 이게 방전이죠.
그런데 충전시 전자가 배터리의 양극에서 음극으로 흐를 수 있는 이유는 무엇일까요?
이는 충전기(=동력원)의 역할이 바로, 이 음극의 '전압을 인위적으로 높여주는 것이기 때문'입니다. 즉, 충전시 전자의 이동은 외부에 의한 비자발적 이동입니다.
그렇다면 왜 전자는 전해액을 통해 흐르진 못할까요?
전해액은 부도체로서 전자에 대한 전도성이 없도록 설계된 물질을 사용하기 때문입니다.
** 이차전지 구성요소 및 역할(전해액)에 대한 설명은 지난 포스팅을 참고해주세요!(→ 여기)
Q3) 충전시 '리튬양이온이 전해액을 통해 음극'으로 이동하는 이유
A. 완전 방전된 상태의 이차전지의 양극에는 화학적으로 '중성'을 띄고 있는 리튬산화물이 있습니다.
하지만 충전이 진행되면, 충전기의 외부 전원에 의해 산소와 분리되고, 분리된 리튬원자는 이온화되려는 경향이 커서 전자를 하나 잃고 양이온이 된다고 말씀드렸습니다.
자석의 극성을 생각해 봤을 때, 같은 극성은 서로 밀어내고 다른 극성은 서로 끌어당깁니다. 이와 마찬가지 원리입니다. 이온화된 리튬의 전자가 충전기라는 외부 힘에 의해 음극의 흑연 사이 사이로 이동하면서, 이 전자들에 의해 음극의 극성이 마이너스가 됩니다. 따라서 이와 반대로 플러스 극성이 된 리튬양이온은 다시 전기적 중성을 만들기 위해 마이너스 극성을 띠는 '음극'으로 이끌려 붙게 되는 것입니다.
이러한 리튬양이온은, 전해액이라는 전용이동 수단을 타고 분리막을 통과하여 음극으로 이동하게 됩니다.
Q & A : 방전 상태에서 → 충전 시
Q1) 방전시 음극에 저장된 '전자가 배선을 따라 양극'으로 흐르는 이유
A. 위에서 전자는 전위가 낮은 곳에서 높은 곳으로 '자발적으로' 흐른다고 말씀드렸죠.
그런데 충전시에 '충전기'가, 음극으로 억지로 이동시켜 놓은 리튬이온과 전자는 대단이 위태로운 상태입니다. 말 그대로 억지로 결합시켜 놓은 것이기 때문이죠. 전자의 자연스러운 이동(음극에서 양극)에도 반하는 것이고, 대단히 안정적인 구조였던 리튬산화물구조와도 벗어나 있기도 하니까요.
하지만 이 충전이 끝나고 무선전자기기에 연결되면 다시 안정적이었던 상태로 되돌아가려 합니다.
즉, 전자는 전위가 낮은 음극에서 전위가 높은 양극으로 '자발적인' 흐름을 가지려 하고, 이러한 흐름에 의해 다시 한번 화학적 평형이 무너지면서 음극에 있던 리튬이온이 전자를 따라 안정적인 산화결합물 상태의 양극으로 돌아가려고 하는 것이죠.
그런데 마찬가지로 전해액은 전자의 전도성이 없도록 설계된 리튬이온만의 전용 이동수단이므로 전자는 이어진 도선을 통해 이동하게 되는 것입니다.
Q2) 방전시 리튬양이온이 전해액을 통해 '양극'으로 이동하는 이유
A. Q2에서 답한 내용과 같습니다.
기타. 이차전지의 수명 그리고 한번에 얼마나 오래 사용할 수있는 가에 대해
A. 양극의 활물질은 그 종류에 따라 용량이 결정되며, 이는 배터리를 한번에 얼마나 오래 사용할 수 있느냐를 결정합니다. 물론, 앞선 포스팅에서 말씀드렸다시피 여기에는 용량뿐만아니라 전압크기도 관련됩니다. 에너지양이 핵심이니까요. (지난포스팅 → 여기)
반면 음극의 활물질 흑연은 충전시, 리튬이온과 전자를 저장했다가 다시 내보내는 역할을 하는데 이때마다 구조가 조금씩 틀어진다고 합니다. 즉 정상적인 저장 역할을 하기가 점차 어려워 지는 것이죠. 따라서 이는 결국 충전과 방전을 얼마나 많이 할 수 있는지를 나타내는 이차전지의 수명을 결정한다고 볼 수 있습니다.
결론
포스팅 네개에 걸쳐서 제가 이해한 이차전지의 원리. 정확히 말하면 리튬이온배터리의 충전과 방전원리와 구조에 대해 모든 정리를 끝냈습니다. 이해한바가 100% 정확하다고는 할 수 없지만, 그래도 다른 자료들과 참고하셔서 조금이라도 도움이 되는 자료가 되길 바랍니다.
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