[2차전지] 왜 리튬이온전지를 사용할까 (충방전 메커니즘, 리튬 장단점)

최근 탈탄소화 트렌드로 전기차이 확산되고, 이에 따라 이차전지 산업이 급속 성장하고 있습니다. 

그렇다면 이차전지란 무엇이고, 왜 리튬이온전지를 사용하는지에 대해 알아보겠습니다. 

 

이차전지 

1차전지와 달리 충전, 방전을 통해 재사용이 가능한 전지를 뜻합니다.

1차전지에 비해 가격은 비싸지만, 계속 재충전하여 사용할 수 있어 비용과 환경오염 여향으로 고려하면 경제적 효율이 높습니다. 

 

충방전 메커니즘

우선 이차전지의 4대 소재에 대해 알아보겠습니다 

 

양극재: 전지 충/방전 시 리튬을 방출하고 흡수하는 리튬 공급원 역할

음극재: 양극에서 이동해 온 리튬이온을 저장 및 방출하여 전기 에너지 발생 

전해질: 양극과 음극 사이에서 전하 캐리어 이온만을 통과시키는 물질, 배터리 내 이온과 전자의 이동을 분리

분리막: 양극과 음극이 직접 접촉하지 않도록 분리하는 역할을 하는 소재 

 

출처 - 삼성SDI

 

리튬이온배터리로 예를 들자면, 리튬이온이 양극재와 음극재 사이를 이동하며 화학적 반응을 일으킵니다. 양극의 리튬 이온이 음극으로 이동하며 배터리가 충전되고 음극의 리튬 이온이 양극으로 돌아가며 에너지를 방출이 되어 전지가 방전됩니다. 

 

 

이차전지 주요 성능

- 에너지밀도

= 단위 부피/무게 당 가지고 있는 에너지의 양

배터리가 얼마나 많은 양의 에너지를 보유할 수 있는지. 에너지밀도가 높으면 방전될 때까지의 텀이 더 길어집니다. 

전기차로 설명하자면, 에너지밀도는 전기차의 주행거리를 담당합니다. 

 

- 용량 

용량은 배터리가 저장하고 전달할 수 있는 충전량용량은 곧 전기차의 출력을 의미합니다. 

 

그 밖에도 수명, 충전 속도, 사이클 특성, 저온/고온 성능, 안정성 등 다양한 이차전지의 성능을 평가하는 요구 특성이 있습니다.

 

 

리튬이온전지 - 왜 리튬?

2차전지는 19세기 납축전지로 시작했는데, 고에너지 밀도와 고용량의 수요 증가와 함께 리튬이온전지 위주로 시장이 급격히 변했습니다. 그렇다면 왜 리튬을 사용하는 걸까요?

 

리튬이온전지는 높은 에너지밀도와 우수한 출력을 자랑하고,

메모리효과가 없어서 수명이 길다는 장점을 가지고 있습니다. 

 

*메모리효과 - 충전지를 완전 방전되기 전에 재충전하면 전기량이 남아 있음에도 충전기가 완전 방전으로 기억하는 효과를 가지게 되어, 최초에 가지고 있던 충전용량이 줄어들면서 수명이 줄어드는 현상 

 

 

 

리튬의 장점 

 

1. 리튬을 포함하는 알칼리금속은 전자를 잃어버리고, 양이온이 되려는 경향을 가지고 있습니다.

알칼리 금속 중에서도 리튬은 3.04V의 에너지준위를 가져 이온이 되려는 경향이 강합니다. 

 

2. 리튬이온은 원자번호 3이므로, 작고 가볍습니다. 

2-1. 그래서 전극물질의 격자 층 사이로 이동하는 것이 수월합니다. 

2-2. 무게당 에너지밀도가 큽니다.

 

 

리튬의 단점 

 

그러나 리튬이온전지는 안정성이 떨어집니다. 과방전 시 용량 감소가 크고, 과충전 시 불안정해져서 내부 전극에서 쇼트가 일어나거나 충격을 주게 되면 폭발할 위험이 있습니다. 

 

 

리튬 매장량 

리튬의 매장량은 많지 않고, 전 세계 매장량의 70%는 북미에 있습니다. 

 

 

리튬이온전지 양극재 개발방향 

 

1. 하이니켈 

니켈 비중이 높을수록 에너지밀도가 증가합니다. 그러나 안정성과 수명이 낮아지므로, 이를 해결하면서 니켈을 높이려는 노력을 하고 있습니다. 배터리사들은 니켈 함량이 80%를 넘는 하이니켈 배터리를 선보이고 있습니다. 

 

2. 탈코발트 

코발트는 배터리의 안정성을 높여주지만, 매장량이 한정적이라 희귀하고, 이 때문에 가격이 비쌉니다. 따라서 원가를 절감하기 위해 코발트를 줄이는 방향으로 개발되고 있습니다.