리튬 이온 배터리 작동 원리

리튬 이온 배터리 작동 원리

리튬 이온 배터리는 현재 가장 핫한 배터리 중 하나로, 이는 높은 비출력, 비에너지와 다른 이차전지에 비해 낮은 자기 방전율이 한몫을 한다. 이전에 리튬 이온 배터리에 대한 한계로 가격의 경쟁력이 떨어져 대규모의 그리드에 적용하기는 힘들다는 점을 언급 한 바가 있다. 이 뿐만 비싸고 한정적인 자원이라는 단점(코발트)을 가지고 있지만. 현재 활발히 개발 중인 리튬-에어(Lithium Air) 배터리가 상업화되기 전까지 리튬 이온 배터리에 대한 수요는 계속 올라갈 것으로 전망된다.

 

리튬 이온 배터리의 작동 방식은 레독스 반응을 동반하는 납 축전지나 다니엘 전지와 조금 다르다. 전통적인 전지들은 레독스 반응에 의해 방/충전 과정에서 음극이나 양극 둘 다 이온의 탈착/결합에 의한 화학적 변형이 일어난다. 혹은 전해질이 화학반응에 참여한다. 하지만 리튬 이온 배터리의 경우에는 전해질이 화학적 반응에 참여하지 않으며, 양 전극 또한 화학적 결합이 바뀌지 않는다. 리튬 이온 배터리의 작동 방식을 설명하기 위해서는 인터칼레이션이라고 하는 새로운 개념 도입이 필요하다.

 

 

이미지 크레딧: Recent Advances in Non-Flammable Electrolytes for Safer Lithium-Ion Batteries [Research Gate]

음극은 주로 흑연을 동반하고 양극은 다양한 재료가 사용될 수 있으나, 코발트가 대표적이다. 재료에 따라 다른 형태의 결정 형태를 띨 수는 있으나, 모두 인터칼레이션의 원리를 사용하고 있으므로 생략하도록 하겠다. 또한 충전의 경우, 방전에 필요한 처리과정을 반대로 나열한 것뿐이므로, 이것 또한 생략한다.

 

위의 왼쪽 이미지는 방전 과정을 묘사하고 있다. 음극과 양극 모두 열린 결정 구조를 하고 있으며, 리튬 이온은 어디든 화학적 결합을 무너뜨리지 않으면서 열린 결정 사이에 탈/부착이 가능하다. 리튬 이온은 어느 한 곳에 타이트하게 결합되어 있지 않으며, 꽤나 자유롭게 움직일 수 있다. 쉽게 말하자면, 충/방전 도중에 리튬은 마치 물이 스펀지에 흡수되듯이 양 전극에 저장되어 있다.

 

먼저, 완전 충전이 된 상태에서는, 양극에 리튬 이온이 없고 모두 음극에 존재한다. 이 상태에서 음극 표면에 위치한 리튬 원자는 리튬 이온과 전자로 나누어지며, 자유로운 전자를 외부 회로로 내보내고 (전류 발생) 리튬 이온은 전해질을 통해 분리막을 통과하여 양극에 도달하게 된다. 이때, 음극 내에 남겨진 리튬 원자들은 일종의 확산 현상으로 농축도를 일정하게 유지시키며, 양극에 도달된 리튬 이온은 음극에서 보내진 전자와 결합하여 리튬 원자가 되고 양극 내에 확산 현상으로 다시 농축도를 일정하게 유지시킨다. 

 

분리막은 이온을 통과시킬 수 있을 정도의 작은 구멍을 지니지만. 전자는 통과시키지 않는 비 전도성 막이다. 또한 양극과 음극을 분리시킬 수 있어야 하며, 그렇지 않을 경우, 단전이 발생해 폭발의 위험이 존재할 수 있다.

 

전해질은 비 수성 유기 용제여야 하며, 이는 전압이 2V가 넘을 경우 물의 분해가 발생할 수 있기 때문이다. 따라서 물은 사용할 수 없다. 주로 용매와 리튬 소금을 동반한다. 종종 리튬 이온 배터리의 전해질을 부를 때, 소금의 이름으로 부르고 한다.