이차전지 K배터리 산업 : 배터리 기본 동작, 어떻게 동작하나?

2. 배터리 기본 동작

 

[그림] 리튬이온 배터리 기본 구조[우1] 

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그림과 같은 배터리 모형은 리튬이온 배터리 대표적인 구조로 많이 제시된다. 왼쪽에서부터 파란색 리튬, 구리색 음극, 물색 전해액, 중간 회색 분리막, 오른쪽 회색 양극으로 구성되어 있다. 리튬이 음극 쪽에 위치하고 있으면 이 배터리는 충전이 되어 있는 상태이고, 배터리를 처음 구매하면 충전이 되어 있는 상태로 받게 된다.

 

[그림] 100% 충전된 리튬이온 배터리 상태

 

 

그림의 배터리는 100% 충전 상태이다. 이제 전기차에서 엑셀을 밟아서 모터를 동작시키면 배터리가 방전되기 시작한다. 이때 음극에서 리튬이 이온화 되기 시작하고 이온화된 전자는 전기가 필요한 모터 쪽으로 이동하고 리튬이온은 분리막을 통과하여 양극 방향으로 이동한다.

 

[그림] 리튬 이온화 이후 이동

 

 

 

전자가 모터를 지나가면 모터가 동작하기 시작하고 배터리 내부에는 리튬이온과 전자가 섞여 있는 상태로 된다.

 

[그림] 충전 ↔ 방전 동시 동작 배터리

 

 

일상적으로 배터리는 일부 충전된 상태에서 사용하게 된다. 음극에서 리튬 이온과 전자의 분리되고 양극에서 합체되는 이런 동작이 동시에 일어난다. 리튬이온이 모두 양극으로 이동하면 100% 방전 상태이다. 실제 사용 환경에서 100% 충전 및 100% 방전 상태는 일어나게 하지 않게 한다. 과충전과 과방전이 발생하면 음극과 양극의 구조가 불안정해져 배터리 화재나 수명 단축이 되는 현상이 나타날 수 있다.     

[그림] 100% 방전된 리튬이온 배터리

 

100% 방전이 되어 모든 리튬 이온이 양극으로 이동한 상태이다. 실제 사용 상황에서는 배터리를 쓰다가 안 쓰다가, 충전하다가 다시 쓰다가 하는 것이 일반적이다. 그래서 양극과 음극에 모두 리튬이 존재하고 있는 것이 일반적인 배터리 상태이다.

 

[그림] 리튬이 양극과 음극에 동시 위치한 일반적인 배터리 상태

 

[그림] 금속 이온화 경향

 

 

배터리 기본 동작은 리튬의 이온화이다. 근데 왜 리튬은 이온화 되려고 하는지 보면 리튬 금속의 이온화 경향이 강하기 때문이다. 이온화 경향은 금속이 전자를 내주고 플러스 이온이 되려고 하는 정도이다. 그림을 보면 금이 가장 낮고 리튬이 가장 높다. 이런 리튬의 높은 이온화 경향 때문에 배터리 소재로 선택이 된 것이다. 리튬, 나트륨 금속은 자연계에서 탄산리튬, 염화나트륨 상태로 존재하지 순수한 금속으로는 존재하기가 어렵다. 금을 보면 가장 이해가 쉽다. 금은 이온화 경향이 많이 낮기 때문에 수천년 지하에 묻혀도 온전한 상태로 발굴이 된다. 주기율표 상으로 리튬이 나트륨위에 있음을 알 수 있다.

[그림] 주기율표[우1] 

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왜 전자와 리튬은 이런 방향으로 이동을 할까? 직류 전류는 양극에서 음극으로 흐르고 전자는 음극에서 양극으로 반대로 흐른다. 따라서 필요한 장치에 전지를 연결하면 전지 내부에서는 자발적인 화학 반응 즉 방전이 시작이 된다. 이때 음 극에서는 리튬 금속이 산화되어 리튬이온이 생성되는 산화 반응이 자발적으로 일어나게 되는 것이다. 충전 동작도 전기가 공급이 되면 리튬이온의 이온화 경향 때문에 먼저 이온화가 되고 전자는 전류 반대방향으로 음극으로 이동하고 다시 음극에서 리튬이온과 전자가 결합하게 된다. 앞에서 설명한 모든 내용은 그림의 식과 같이 표현이 된다.

 

[그림] LCO 양극재 충방전 화학식

 

 

 

화학식은 양극재 LCO를 예로 든 것이다. 양극(Cathode)에서 전자(e)가 나오고 음극(Anode)에서는 리튬(Li)이 탄소(C)와 결합하는 것이다.