리튬이온 배터리와 전고체 배터리

현재 사용되는 2차 전지는 어떤 것들이 있는지 궁금해서 정리해 보았습니다. 크게는 두 가지 종류가 있는데 하나는 현재 주로 사용되는 배터리이고, 하나는 차세대 배터리로 주목받고 있습니다. 어떤 배터리인지 알아보겠습니다.

 

1. 리튬이온 배터리(Lithium-ion battery)

2차 전지의 일종으로 현재 대부분의 2차 전지는 '리튬이온 배터리'를 사용한다고 보면 되겠습니다. 간단하게 개념을 말씀드리면 충전 및 방전 과정에 따라서 리튬 이온이 양극과 음극으로 이동하는 전지로써, 충전할 때는 리튬이온이 양극에서 음극으로 방전될 때는 리튬 이온이 음극에서 양극으로 이동합니다.

또한 기본적으로 '리튬이온 배터리'는 양극, 음극, 분리막, 전해질로 구성되어 있는데, 통상적으로 에너지 밀도가 높고, 사용하지 않을 때 자가 방전이 일어나는 정도가 작기 때문에 휴대용 전자기기에 많이 사용되고 있습니다. 최근에는 에너지 밀도가 높은 특성 때문에 자동차, 항공, 방산 산업 등으로 사용 범위가 넓어지고 있습니다.

 

• 리튬(Li)? 가장 밀도가 낮은 고체 원소로 반응성이 강한 금속 중 하나입니다.
• 리튬이온? 다른 물질들보다 전자를 잃고 양이온이 되려는 경향이 강해 작동 전압과 에너지 용량이 우수합니다. 다만 구조적으로 발화 및 폭발 위험성을 내재하고 있기 때문에 사용된 제품들은 화재 위험성을 가지고 있습니다. 즉 안전성이 떨어집니다.
• 참고로 배터리 종류별 차이점은 전해질 상태에서 생깁니다. 이 리튬이온 배터리의 전해질은 액체 상태를 사용하게 됩니다.

참고

리튬이온 배터리의 가장 비중이 높은 재료는 '양극재'라고 할 수 있습니다. 이유는 원료의 30~40%를 차지할 정도로 많은 부분을 차지하기 때문인데요. 그래서 따로 한번 정리해 보았습니다.

먼저 양극재는 리튬이온 배터리의 크기나 쓰이는 용도에 따라 구성 요소에 차이가 있습니다. 크게 '소형'과 '중대형'으로 나누어 볼 수 있습니다.

 

 

• 소형 2차 전지

리튬이온 배터리 양극재의 기본형인 'LCO(리튬, 코발트, 옥사이드)'는 소형 2차 전지에 가장 많이 사용되는 양극재로 알려져 있습니다. 특히 이 중에서 코발트는 채굴량이 적고 공급이 불안정하기 때문에 가격이 비쌉니다. 코발트 자체는 배터리의 안정성을 높여주는 중요한 원료이지만 니켈이나 구리 또는 광산등에서 부산물로 얻어야 하기 때문에 공급 부족현상이 있기 때문입니다.

 

• 중대형 2차 전지

현재 중대형 2차 전지에 많이 쓰이는 양극재는 'NCM(니켈, 코발트, 망간)'입니다. 정확한 표현은 'LNCMO'입니다. 즉 NCM은 LCO에 니켈과 망간을 추가한 양극재라고 할 수 있습니다. 에너지 밀도를 더욱 높이기 위해 니켈 함량을 극대화하고 값비싼 코발트는 줄여서 원료 가격 변동에 대응이 가능하도록 개선한 것이 특징입니다.

 

• 참고로 이 외에도 차세대 양극재로는 '하이니켈 양극재'를 연구 개발 중에 있습니다. 현재 대표적인 예로는 'NCM811'이 있습니다.

 

2. 전고체 배터리(Solid-state battery)

앞서 말씀드린 것과 같이 리튬이온 배터리의 가장 큰 단점은 '안전성'입니다. 온도가 과열되거나 외부 압력 등에 의해서 화재가 발생할 수 있기 때문인데요. 그래서 이러한 단점을 보안하기 위해 차세대 배터리로 '전고체 배터리'가 각광을 받고 있습니다.

리튬이온 배터리와 전고체 배터리의 가장 큰 차이점은 전해질이 액체가 아닌 고체 상태를 사용하는 것입니다. 그래서 액체 전해질을 사용하는 리튬이온 배터리는 분리막이 필요하지만, 고체 전해질을 사용하는 전고체 배터리는 분리막 역할을 고체 전해질이 대신하기 때문에 분리막이 필요 없습니다.

또한 전고체 배터리의 장점은 '안정성'을 높였다는 것입니다. 리튬이온 배터리는 온도 변화로 인한 팽창이나 외부 충격에 의한 누액 등으로 위험성이 존재했으나, 고체 전해질은 구조적으로 단단하여 형태를 유지할 수 있으므로 안정적입니다. 그리고 전고체 배터리는 기존 리튬이온 배터리에 비해 에너지 밀도가 더 높고 대용량 구현이 가능해졌으며, 부피도 줄일 수 있기 때문에 사용처가 점점 다양해지는 배터리 시장에서 더욱 유용하게 사용될 것으로 기대됩니다. (참고로 배터리 충전 시간도 줄일 수 있습니다.)

다만 통상적으로 고체 전해액이 액체 전해액보다 리튬 이온을 전달하는 능력이 떨어지기 때문에, 전달 능력을 높이는 것이 관건입니다. 그리고 전고체 배터리는 이름 그대로 고체로 구성되어 있기 때문에 고체와 고체가 맞닿는 곳에 '계면저항'이 생김으로 인해 '전도성'이 떨어질 수도 있습니다. (현재 이러한 문제점들을 해결하기 위해 다양한 기업이 연구 및 개발을 하고 있습니다.)

 

• 계면? 기체, 액체, 고체 중 2개의 상이 접할 때 그 사이에 형성되는 경계면입니다.
• 계면저항? 서로 다른 상 즉 이상(異相) 간의 계면을 통하여 물질 이동이 있을 때 생기는 저항을 말합니다.
• 전도성? 열이나 전기가 물체 속을 이동하는 성질을 말합니다.

 

2차 전지란 무엇일까