2차 전지 간단하게 핵심만

 요즘 도로를 달리는 자동차를 유심히 살펴보면 하늘색 번호판을 단 차들을 보실 수 있을 겁니다. 이 차들의 일부는 수소차, 대부분은 전기차입니다. 전기차 시장이 확대되면서 전기차의 핵심 부품인 배터리와 배터리 기술들이 많은 주목을 받고 있습니다. 그래서 이 전기차를 굴러가게 하는 배터리가 무엇이고, 현재 주목을 받고 있는 리튬 이온 전지는 무엇인지 알아볼 필요가 있습니다. 

 

목차

2차 전지의 개발

전지의 역사 

건전지가 개발되기까지는 꽤나 다양한 전지들을 거쳐왔습니다. 볼타 전지, 다이엘 전지부터 오늘날 우리가 알고 자주 사용하는 건전지까지. 이들은 화학반응을 통해 전기를 발생 시긴 타다 혀 화학전지라고 불립니다. 그리고 80여 년의 시간 동안 수많은 결점을 보완하여 오늘날까지 발전해 왔습니다. 그러나 화학 전지 중 특히 1차 전지들은 높은 휴대성, 편의성을 가지고 있으나 치명적인 단점이 있습니다. 바로 한번 사용 후에 폐기해야 하는 1회용이라는 것입니다. 따라서 이를 극복하기 위한 무수한 연구가 이루어졌고 반영구적으로 충전/방전이 가능하게 한 것이 바로 우리가 소위 말하는 2차 전지입니다. 2차 전지는 1차 전지와는 다르게 외부의 전원을 활용하여 충전과 방전이 가능합니다. 

2차 전지의 초기 발전 과정

가장 먼저 발명된 2차 전지는 납축전지입니다. 하지만 너무 무겁고 그 당시 휘발유가 대량으로 공급되기 시작하면서 쓰임이 적어져 더 이상 발전하지는 못합니다. 하지만 이후 IT 기술의 발전으로 일반 가정에서도 언제 어디서든 편리하게 쓸 수 있는 2차 전지를 원하게 되었고, 니켈 계 2차 전지가 등장하게 됩니다. 

최초의 니켈계 2차 전지 : 카드뮴 전지

개발되자마자 빠른 보급이 이루어졌으나 카드뮴 인체 유해성 이슈로 기피하게 되어 새로운 대체 전지개발이 이루어짐. 

니켈-철 전지 

카드뮴 전지의 대체 전지로 시장에 등장합니다. 하지만 제조 비용이 비싸 접근성이 떨어집니다. 그러나 이후에 니켈-수소전지로 성공하게 됨. 

2차 전지의 끝판왕 리튬 전지 

전지의 용량이 남아있는 상태에서 충전을 반복했을 때, 어느 순간 전압이 떨어져 배터리 용량이 감소한 것 같은 현상이 나타나게 됩니다. 시간이 흘러 알려지게 된 원인으로는 2차 전지의 양극재 속 전기를 일으키는 양극활물질이 충전과 방전 과정에서 고용체라는 혼합물을 만들어내고, 이 혼합물들이 쌓이면서 배터리 용량을 잡아먹는 효과로 밝혀집니다. 이러한 단점을 보완하여 연구된 것이 리튬 이온 전지입니다. 이 리튬 전지가 상용화된 제품이 '워크맨'입니다. 리튬 이온전지의 개발과 상용화에 기여한 학자들은 2019년도 노벨화학상을 받게 되면서 새로운 세상을 창조했다는 평을 듣게 됩니다. 

 

리튬 이온 전지가 엄청난 발명인 이유

리튬계 전지는 리튬 합금이나 리튬 금속 등 어떤 전극 재료를 활용하느냐에 따라 다양한 전지를 만들어 낼 수 있습니다. 기본적으로 리튬이 매우 중요합니다. 리튬은 이온화 경향이 커 리튬 이온이 쉽게 만들어질 수 있는 특성을 가지고 있어 이를 전극으로 사용하면 리튬의 특징을 닮은 작고, 가볍고, 에너지밀도는 높은 전지를 만들어 낼 수가 있기 때문입니다. 이 리튬 이온 전지 덕분에 IT기기의 소형화가 가능했습니다. 

리튬 이온 전지를 이루는 요소

리튬 이온 전지를 이루는 요소는 하나도 빠짐없이 모두 중요합니다. 기본적으로 아래의 3 가지로 요소를 구분하게 됩니다.

양극 : 리튬 산화물로 존재 ( 양극재라고 함)

음극 : 벌집 같은 구조를 지닌 흑연이 대표적인 재료임 ( 음극재)

분리막 : 미세한 구멍이 뚫려 있어 리튬 이온만이 지나다닐 수 있는 길을 만들어주며, 접촉하는 순간 뜨거워지는 전극을 분리해 주는 역할을 함. 

전해액 : 매끄러운 이동을 돕는 매개체로 리튬이온을 컨트롤하고 안전을 위해 발화점이 높은 물질을 사용

리튬 이온 전지의 문제

기본적으로 리튬 이온이 왔다 갔다 하면서 충전과 방전을 반복하며 배터리 기능을 수행합니다. 하지만 이 리튬 배터리에서도 간혹 폭발 사고가 일어나곤 합니다. 사고의 원인은 나뭇가지모양의 결정체, 덴트라이트 때문입니다. 배터리를 충전할 때 양극의 리튬 이온이 음극으로 이동하는 중에 조그만 결정체로 변해 퍼지게 되는데, 이 결정체가 점점 사방으로 커져 분리막을 뚫게 되고 더욱 심화되어 양극까지 도달하게 되면, 전극의 부피가 팽창하고 심할 경우에는 화재 및 폭발의 원인이 되기도 합니다. 한때 휴대폰 배터리가 부풀어 오르거나, 충전 중 폭발하는 사례들이 보도된 적이 있습니다.  

그러나 전기차 시장에 이 리튬 이온 전지가 도입되면서 더욱 성능과 가격 안정성 측면이 중요하게 됩니다. 따라서 이 2차 전지 연구 및 관심이 매우 높습니다. 다음번 포스팅에서는 전기차에 사용되는 2차 전지에 대해 좀 더 면밀하게 알아보고 공부해 보겠습니다.