전지의 구조와 종류

학창 시절 과학 시간에 배운 전지의 기본을 떠올려보자. 전지는 양극, 음극으로 구성되어 있고 이를 통칭하여 전극이라고 한다. 양극과 음극은 고유의 전기화학 전위를 지니고 있으며, 두 전극의 전위 차이가 전압이 된다. 양그의 전위에서 음극의 전위를 뺀 것이 전압니다.

두 전극의 산화, 환원 반응에서 생성되는 이온은 이온의 통로 역팔을 한는 전해질을 통해 흐르고, 동시에 생성된 전자는 외부 도선을 토해 이동한다. 이를 통칭하여 전기화학 반응이라고 한다. 방전 반응이 진행되면 양극과 음극을 구성하는 화학물질 간 이온 교환반응이 일어나며, 반응이 종료된 후 충전된 상태의 화학물질로 다시 돌아갈 수 있는 물질인지, 아니면 돌아갈 수 없는 물질인지에 따라 일차 전지와 이차전지로의 전기 화학 반응을 구분할 수 있다. 돌아갈 수 있는 물질은 가역반응을 할 수 있는 물질이며, 돌아갈 수 없는 물질은 비가역 반응물질이라고 한다. 

비가역 반응 문질은 한번만 방전 반응이 일어나며 원래 상태로 다시 되 돌리려면 큰 에너지가 필요하거나 혹은 다시는 되돌릴 수 없는 상태로 변하므로 충전 할 수 없는 일차전지가 된다. 주로 분해가 잘 되지 않는 안전된 산화물로 변한다. 반면 이차전지의 양극과 음극은 저기화학 충전과 방전 반응을 여러번 반복 진행하는 동안 원래의 물질로 돌아갈 수 있는 가역 반응 물질로 구성되어 있기 때문에 여러 번 충방전하여 사용이 가능한 전지로의 구동이 가능하다.

 

전지의 원리

 

전지라는 단어는 현재 우리가 휴대폰, 노트북, 전기자동차 등의 전원으로 사용되는 제품을 칭하는 용어로 흔히 배터리라고도 불리고 있다. 전지라는 용어를 사용하는 제품으로는 이차전지, 연료전지, 태양 전지 등이 있다. 이를 영어로 표기하면 secondary, Battery, Fuel Cell, Solar Cell이다. 영어 표기에서 Cell과 Battery는 정의상 차이가 있다. 셀은 화학 반응을 통해 전기 에너지를 생성하는 단일 유닛이며, 배터리는 여러 개의 셀이 연결되어 더 많은 양의 전기에너지를 생산하는 장치이다. 연료전지와 태양전지는 수소 혹은 태양광으로부터 전기를 생산하는 단일 유닛에 강조를 두며 명명되었다. 그러나 배터리라는 용어는 초기에 단일패키지 내에서 여러 개의 셀이 사용되었떤 것에서 비롯된 것으로 추정된다. 이러한 셀들은 과거 전장에서 대포가 일렬로 배치되어 운영되는 방식과 유사하게 배치되었다. 과거 Battery는 함께 운영되는 일련의 대포를 묘사하는 데 사용된 용어였으며, 이 개념과 유사하게 더 큰 전압을 생성하기 위해 직렬로 연결된 셀들의 모음을 묘사하는데 사용되고 현재는 배터리라는 용어로 굳어진 것으로 추정된다.

 

여기서는 배터리와 같은 개념으로서의 전지에 대해 논할 것인데, 전지는 사용하는 방식에 따라 일차전지와 이차전지로 한 번 더 구분할 수 있다.

일차전지 

일차전지는 우리가 흔히 말하는 힘 세고 오래가는 건전지와 같이, 한번 사용하면 충전할 수 없어 재 사용할수 없는 전지이다. 알칼리전지, 수은전지 등이 이에 속한다. 

이차전지

이차전지는 한번 사용하였어도 충전이 가능하며 재 사용할 수 있는 전지이다. 대표적으로 리튬이온전지를 비롯하여 니켈카드뮴전지, 니켈수소전지 등이 이에 속한다.

 

전지를 전자기기에 장착하여 사용하게 되면 전압이 떨어지는데 이를 전지 내부의 화학 반응에서는 방전 이라고 일컫는다. 전압이 떨어져 일정 전압에 다다르게 되면 더는 이용하지 못하는 상태가 되는데, 이때 사용한 시간과 전류의 양을 곱한 것을 용량이라고 한다. 반대로 방전된 이차전지의 전압을 올려 재 사용할 수 있게 만드는 것을 충전이라고 한다. 기본적으로 충전과 방전을 여러 번 반복하여 사용할 수 있는 장치가 이차전지이다.

많은 양의 전기를 충전하여 오랫동안 사용할 수 있어야 하며, 충전과 방전의 반복 횟수가 많아져도 처음과 유사한 사용시간을 유지하는 것이 이차전지에 가장 기본적으로 요구되는 특성이다. 전자를 고용량 특성이라고 일컬으며, 후자를 수명 특성이라고 일컫는다.

 

납축전지, 니켈카드뮴전지, 니켈수소전지 등 다양한 이차전지가 개발되었지만, 현재 사용 중인 대표적인 이차전지인 리튬이온전지를 구성하는 소재 및 부품은 일반적인 이차전지와 동일한 구성 요소인 양극과 음극, 전해질을 채용하고 있다. 전극은 전극활물질(양극 및 음극 활물질, 또는 양극 및 음극 소재)이 바인더 및 도전재와 혼합되어 있고, 양극은 알루미늄 박판, 음극은 구리 박판의 집전체에 부착되어 있다. 전해질은 보통 유기계 액체전해질을 적용하고 있으며, 액체전해질이 양극과 음극 내부의 기공 내부를 침투하여 접촉 할 수 있는 면적을 가능한 최대화 할 수 있도록 구성 된다. 정상적인 반응에서는 전자는 도선을 통해 흐르고, 리튬이온은 전해질을 통해 전달되며 통제가 된다. 그러나 양극과 음극이 맞닿게 되면 전자의 흐름이 외부 도선을 통하지 않고 맞닿은 부분으로 전달되면서 전자와 리튬이온이 한꺼번에 양극과 음극에 직접 전달되는 반응이 일어난다 이러한 현상을 내부단락이라고 한다. 

 

내부단락이 일어나면 급속한 반응으로 인한 전압 강하 및 강한 발열 반응, 발화 및 폭발 반응이 일어나는데 이것이 이차전지의 폭발이나 화재로 연결된다. 이를 방지하기 위해 리튬이온전지는 분리막이라는 고분자로 만들어진 얇은 필름을 양극과 음극 사이에 배치하여 내부 단락을 방지하고 액체전해질을 내포하여 리튬이온 전지로의 구동을 가능케 한다.

 

리튬이온전지 핵심소재

 

양극, 음극, 전해질, 분리막은 리튬이온전지의 4대 핵심 소재이다.

이차전지 개발 국가들, 즉 우리나를 비롯한 미국, 일본, 중국은 해당 소재에 대한 핵심 기술과 원료를 확보하기 위한 기술 전쟁을 펼치고 있다. 4대 핵심소재는 리튬이온전지의 용량, 수명 뿐만아니라 발화 및 화재로부터의 안전성과 더불어 리튬이온전지의 가격을 결정하는 중요한 요소이다. 현재 리튬의 가격 상승, 니켈 및 코발트 등의 원료 가격 상승이 중요한 이슈로 부각되고, 우리나라 대표 기업들이 니켈, 리튬 등의 원료 채굴권에 관심을 가지는 이유도 원료가격이 리튬이온전지의 가격에 결정적인 영향을 미치기 떄문이다.