[📚북적북적] 7. 2차전지의 모든 것 (준선우)

 

 

🔋 2차 전지의 모든 것 (준선우) - 엔지닉

 

엔지닉 2차전지의 모든 것 - 예스24

 

 

🔋 전지의 4대 구성 요소 : 양극, 음극, 전해질, 분리막 🔋

 

1. 음극 (Anode)

• 전자를 공급하는 전극
• 전지의 성능(전압, 용량 등)에 중요한 영향을 미침. → 전지의 성격 결정
• 자유 전자가 풍부한 금속 또는 흑연(Graphite)을 주로 사용
• 금속의 경우, 최외각 전자가 자유 전자로 존재하여 전자의 흐름을 쉽게 제공.
• 음극 소재 예시:
  • 일반 전지: 아연(Zn), 납(Pb), 카드뮴(Cd) 등.
  • 리튬 이온 전지: 흑연(Graphite)을 주로 사용하며, 최근 실리콘-탄소 복합체 및 리튬 금속 음극 연구도 활발.

2. 양극 (Cathode)

• 전자를 받아들이고, 리튬 이온을 저장하는 역할을 하는 전극.
• 주로 금속 산화물 또는 황화물 계열의 세라믹 소재를 사용.
• 리튬 이온 전지의 대표적인 양극 소재:
  • 리튬 코발트 산화물 (LiCoO₂): 높은 에너지 밀도, 주로 스마트폰, 노트북에 사용.
  • 리튬 니켈 망간 코발트 산화물 (NMC, LiNiMnCoO₂): 전기차 배터리에 많이 사용됨.
  • 리튬 철인산염 (LiFePO₄): 열적 안정성이 높고, 안전성이 우수하여 ESS 및 전기차에 적합.
  • 리튬 니켈 코발트 알루미늄 산화물 (NCA, LiNiCoAlO₂): 높은 에너지 밀도와 긴 수명 제공.
• 방전 시 반응:
  • 음극 (산화 반응): 리튬 이온이 방출되면서 전자를 잃음.
  • 양극 (환원 반응): 리튬 이온이 들어오면서 전자를 받아들임.

3. 분리막 (Separator)

• 역할 : 양극과 음극이 직접 접촉하는 것을 방지하여 단락(Short Circuit)을 막음. → 전자 교환 X
• 특징:
  • 다공성 구조 (Porous Structure): 리튬 이온이 자유롭게 이동할 수 있는 미세한 기공 존재.
  • 열적 차단 기능 (Shutdown Function): 일정 온도 이상에서는 기공이 닫혀 배터리의 과열 방지.
• 주요 소재:
  • 주로 부직포나 폴리머 필름이 사용
  • 폴리프로필렌(PP) & 폴리에틸렌(PE): 열적 안정성이 우수함.
  • 세라믹 코팅 분리막: 고온에서도 구조적 안정성을 유지하며, 전기차 배터리에 주로 사용됨.

4. 전해질 (Electrolyte)

• 역할: 양극과 음극 사이에서 리튬 이온의 이동 경로를 제공하는 매개체.
• 전해질 종류: (황산 수용액 .알칼리 수용액, 유기 용매)
  1. 액체 전해질 (Liquid Electrolyte):
     • 유기 용매 기반 (EC, DMC 등)에 리튬염(LiPF₆)을 용해한 형태.
     • 높은 이온 전도성을 가지지만, 화재 위험성이 있음.
  2. 고체 전해질 (Solid Electrolyte):
     • 전고체 배터리에 사용되며, 황화물계, 산화물계, 고분자계로 나뉨.
     • 안정성이 높고, 폭발 위험이 낮음.
  3. 겔 전해질 (Gel Polymer Electrolyte):
     • 액체와 고체의 중간 형태로, 안전성과 이온 전도성의 균형을 맞춤.
• 전해질이 충전과 방전 과정에서 지속적으로 전해액 채널을 형성해야 함.
  • 전해액 채널이 끊어지면 활물질이 고립되며 용량 감소
  • 전해액 채널을 형성하지 않는 전해액을 자유 전해액(Free Electrolyte)이라고 함.
• 양극, 음극, 분리막은 다공성 구조. 전해질이 기공을 채움

5. 2차 전지(충전 가능 배터리)의 종류

• 납축 전지 (Lead-Acid Battery): 자동차 배터리에 사용.
• 니켈-카드뮴 전지 (Ni-Cd Battery): 오래된 방식, 환경 문제로 사용 감소.
• 니켈-수소 전지 (Ni-MH Battery): 하이브리드 자동차 등에 사용.
• 리튬 이온 전지 (Li-ion Battery): 스마트폰, 노트북, 전기차 등에 가장 널리 사용.
• 전고체 배터리 (All-Solid-State Battery): 차세대 배터리로 연구 중.

6. 최신 배터리 Trend

• 전고체 배터리 (All-Solid-State Battery) 개발
  • 고체 전해질 사용으로 안전성 강화 및 에너지 밀도 향상 기대.
  • 리튬 금속 음극과의 조합으로 기존 리튬 이온 전지보다 2~3배 높은 용량 가능성.
• 리튬-황 배터리 (Li-S Battery)
  • 황(Sulfur)을 양극으로 사용하여 이론상 에너지 밀도가 매우 높음.
  • 현재는 충방전 시 황의 용해 문제로 안정성 개선이 필요.
• 리튬-공기 배터리 (Li-Air Battery)
  • 이론상 가장 높은 에너지 밀도를 지니며, 차세대 전기차 배터리로 연구 중.
  • 산소의 반응성으로 인해 안정성 및 수명 문제가 존재.