전 세계는 지금 배터리 전쟁 중입니다.
배터리는 우리 생활에서 안쓰이는 곳이 없습니다.
자동차도 이제는 내연기관 자동차가 아닌 친환경 전기 자동차로 바뀌고 있습니다.
이제 전기 자동차에 꼭 필요한 것이 장거리를 갈 수 있는 안정적인 배터리입니다.
전기자동차의 배터리는 내연기관 자동차의 엔진과 같은 것이지요.
2019년 노벨 화학상을 받은 3명의 과학자 모두
배터리 연구에 관련된 사람들이 었습니다.
John B. Goodenough , M.Stanley Whittingham , Akira yoshino
전세계는 지금
장거리를 운행할 수 있는 자동차의 배터리 계발을 위해 엄청난 연구가 진행중입니다.
만약에 한번 충전에
1000km를 갈 수 있는 자동차배터리를
만든 사람이 나온다면 그는 세계적인 영웅이 될것입니다.
현재 우리가 사용중인 전자기기에는
대부분 기기속에 리튬이온배터리를 사용하고 있습니다.
오늘은 리튬 이온 배터리의 원리에 대해서 알아보도록 하겠습니다.
리튬 이온 배터리
질문) 일반적인 건전지는 왜 충전이 안될까요?
일반적인 건전지는
한번 방전되면 충전해서 사용할 수 없는 1차 전지입니다.
건전지는 전자를 내준 아연이 산소와 결합해서
산화아연으로 화학반응해 버려서 되돌기기 어려운
다른 물질로 변해버리기 때문에 재사용이 불가능합니다.
그러나
2차전지는 충전을 통해 반영구적으로 사용할 수 있습니다.
바로, 리튬이온배터리는
대표적인 재충전이 가능한 2차 전지가 되겠습니다.
질문) 2차전지에 리튬을 써야 했던 이유는?
리튬을 사용하면
크기가 훨씬 더 작으면서
용량이 큰 배터리를 만들수 있습니다.
화학 주기율표에서 최상단 왼쪽에 있는 리튬은
부피가 작으면서 가벼운 금속 원소 이기 때문입니다.
리튬이온 배터리 원리
리튬 이온 배터리는
양극-음극-전해질-분리막 크게 4가지로 이루어져 있습니다.
양극- 금속산화물 계열
음극- 흑연을 주로 이용합니다.
전해질과 분리막은 건전지의 안전성을
양극과 음극은 건전지의 성능과 용량을 결정짓습니다.
<리튬이온배터리 방전상태 출처:삼성SDI>
리튬이온 배터리는
「Intercalation」 이라는 현상을 발견함으로 탄생되게 됩니다.
질문) Intercalation 현상이란...?
이것은 마치 공놀이인 캐치볼할때에
글러브와 야구공의 상태와 같은 것이지요.
리튬이온이 화학반응을 해 변하지 않고 양극과 음극에 그냥가서 껴있는것입니다.
이것은 재충전을 해야하는 2차전지의 중요한 요건입니다.
질문) 리튬이온배터리의 충전과 방전의 원리는 무엇일까요?
충전시에는 리튬이온과 전자가 음극으로 모이게 되고
모두 모이게 되면 100% 충전이 완료됩니다.
방전시에는
전자와 리튬이온이 양극으로 이동하기 시작합니다.
전자는 외부 금속을 통해서
리튬이온은 내부에서 전해질을 통해 양극으로 이동하게 되는 것입니다.
< 출처 :삼성 SDI >
질문) 리튬이온 배터리의 문제점은 무엇일까요?
근복적인 문제의 원인은 액체 전해질입니다.
가운데 분리막이 양극재와 음극재가 만나서 쇼트나는것을 막아주는 역할을 합니다.
하지만, 분리막이 약간만 훼손돼도 쇼트날 확률이 높다는 것입니다.
우리는 액체 전해질을
고체로도 만들수 있다면 배터리의 부피를 획기적으로 줄일 수 있습니다.
하지만
액체가 훨씬 더 이온전도도가
높기때문에 액체 전해질을 고체로 만들기가 쉽지 않습니다.
또한,
음극재와 양극재를 보다 안정적인 물질을 찾아야 합니다.
배터리의 성능이 향상될수록 열폭주로인한
더 큰 폭발이 일어날 가능성이 높아지기 때문입니다.
< 출처 : 삼성 SDI >
연구끝에
Li -polymer battery를 개발하게 됩니다.
전해질을 액체가 아닌 폴리머 전해질로 사용합니다.
머리에 바르는 헤어젤 같은 형태의 전해질을 만들어서 액체전해질을 개선한 것입니다.
기존 배터리보다 많이 나아졌으나 여전히 많은 개선이 필요합니다.
All Solid State Battery
모든것이 다 고체로 이루어진 전고체배터리입니다.
액체는 모든배터리를 밀봉하고 보호해야합니다.
그래서 외부포장으로 비용이 많이 발생합니다.
하지만, 고체전해질은 액체전해질보다
전체적인 구조로 보았을때 효율적인 공간활용이 가능합니다.
부피에서 장점이 있기때문에 한정된 공간에서
결국 더 많은 배터리 용량을 가질 수 있습니다.
고체 전해질이기 때문에 분리막도 필요가 없습니다.
현재 전 세계에서는 각국마다 배터리산업을 키워가고 있습니다.
앞으로 다가올 미래는 안정적인 배터리개발에 따라 우리의 생활이 획기적으로 변할 것입니다.
고용량의 안전한 배터리가 개발된다면,
우리가 사용하는 전기를 배터리에 저장해서 가정에서 사용도 가능합니다.
배터리 개발의 성공은
누가 먼저
지구상에 있는 가장 안정적이면서
성능이 우수한 양극재와 음극재 물질을 찾느냐 하는 문제인 것입니다.
