2차 전지의 작동 메커니즘을 통한 원리 파악

2024. 4. 1.

by. 엔지니어대디

2차 전지의 원리
2차 전지의 4대 구성 요소
2차 전지의 작동 메커니즘

2차 전지의 원리

2차 전지는 화학반응을 이용하여 전기를 생산하고 저장하는 장치이다. 이차 전지는 충전과 방전이 가능하여 반복적으로 사용할 수 있다는 점에서 일차 전지와 구별된다. 2차 전지는 휴대폰, 노트북, 전기 자동차 등 다양한 전자 기기에 전원을 공급하는 데 사용되고 있다.

2차 전지는 전기 화학적인 산화-환원 반응을 이용하여 전기를 생산하고 저장하는 장치이다. 양극의 이온이 음극으로 이동하면 배터리가 충전된다. 반면에 음극의 리튬이온이 양극으로 이동하면 방전되며 에너지를 방출한다. 이때 양극과 음극 사이에 이온의 이동 통로 역할을 해주는 전해질이 존재한다. 그리고 전해질과 양극과 음극의 직접적인 접촉을 막는 분리막으로 구성되어 있다.

일반적으로 2차 전지의 4대 구성요소는 이렇듯 양극, 음극, 전해질, 분리막을 의미한다.

2차 전지의 4대 구성 요소

2차 전지의 4대 구성 요소에 대해 좀 더 자세히 알아보겠다.

양극재

양극재는 리튬 이온이 들어가는 공간으로, 리튬 이온이 머물고 있는 공간이다. 리튬 이온은 전자를 잃고 양이온이 되려는 성질을 가지고 있어 양극 소재로 적합하다. 현재는 리튬 산화물 형태의 양극재가 주로 사용되고 있으며, 최근에는 고성능 양극재 개발을 위해 NCA(니켈, 코발트, 알루미늄), NCMA(니켈, 코발트, 망간, 알루미늄) 등 다양한 소재 연구가 진행되고 있다.

음극재

음극재는 양극에서 나온 리튬 이온을 저장 및 방출하며 외부 회로를 통해 전류가 흐르도록 하는 역할을 한다. 배터리가 충전 상태일 때 리튬 이온은 음극에 존재하며, 방전 시 리튬 이온은 양극으로 이동하고 전자는 도선을 따라 이동하여 전기를 발생시킨다. 흑연이 주로 사용되는 음극재는 리튬 이온의 반복적인 저장 및 방출 과정에서 구조 변화로 인해 배터리 수명이 줄어들 수 있다. 이에 따라, 실리콘 음극재 등 차세대 음극재 개발이 활발하게 진행되고 있다.

전해질

전해질은 양극과 음극 사이에서 리튬 이온이 원활하게 이동하도록 돕는 매개체이다. 리튬 이온의 이동 수단 역할을 하는 전해질은 이온 전도도가 높고 안전성을 위해 전기화학적 안정성과 높은 발화점을 가져야 한다. 현재 액체 전해질이 주로 사용되고 있지만, 안전성과 성능 향상을 위해 고체나 젤 형태 전해질 연구도 활발히 진행되고 있다.

리튬이온-전고체 배터리 비교 — 액체와 고체 전해질 비교 (출처 : 삼성SDI, 삼성증권 포트폴리오전략팀 자료)

분리막

분리막은 양극과 음극의 물리적 접촉을 차단하여 안전성을 확보하는 역할을 한다. 미세한 구멍을 통해 리튬 이온만 이동하도록 설계된 분리막은 높은 전기 절연성과 열 안정성이 요구된다. 또한, 일정 이상의 온도에서는 자동으로 이온 이동을 막는 기능도 필요하다. 현재 폴리에틸렌(PE)과 폴리프로필렌(PP) 분리막이 주로 사용되고 있으며, 배터리 소형화를 위한 얇은 분리막 개발 연구도 진행되고 있다.