5분만에 알아보는 2차 전지(배터리)의 원리

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최근 테슬라 배터리데이와 LG화학 분사 이슈 등으로, 안그래도 뜨거웠던 2차 전지 산업이 더욱 뉴스에 많이 언급되고 있다.

 

그런데 우리는 음극재나 양극재, 전고체 배터리 등의 어디선가 들어본 듯한 용어는 그냥 지나쳤을 것이다. 그래서 오늘은 배터리의 4대 요소와 원리, 그리고 기본 단위에 대해 배워보려고 한다.

 

 

출처. 삼성SDI 유투브 채널

 

#배터리의 4대 요소와 원리

 

기본적으로 건전지와 같이 한 번 사용되고 버려지는 것을 1차 전지라 하고, 다시 충전해서 사용할 수 있는 배터리를 2차 전지라고 한다.

 

이러한 배터리의 4대 구성 요소로는 양극, 음극, 전해질, 분리막이 있다.

 

이제 배터리가 충전되고 사용되는 방식을 나누어 설명해볼텐데 가장 흔히 사용되는 리튬이온 배터리로 설명해 보겠다.

(간략히 말하면, 리튬이온배터리는 리튬을 소재로 전기를 생산하는 배터리를 뜻한다.)

 

(배터리가 충전되어있는 상태 : 배터리가 소모되는 과정)

배터리가 충전되어 있는 상태는 리튬이온이 음극에 모여있는 상태를 뜻하는데, 음극에 있는 리튬은 전자를 내보내려는 성질을 갖고 있다.

 

그렇게 (그림의 위쪽) 전선을 통해 음극에서 양극으로 전자가 흐르는데, 이 때 배터리가 소모되고 전기가 사용되는 것이다!

 

그리고 전자를 내보냄과 동시에 음극에 있던 리튬이온도 양극으로 돌아가고자 한다. 이 때 리튬이온이 움직이는 매개체의 역할을 하는 것이 전해액이다.

 

그렇다면 전해액 사이의 분리막은 왜 존재할까? 분리막은 양극과 음극이 직접적으로 닿는 것을 방지하기 위해 사용된다. 아까 말했듯이 리튬이온은 왔다갔다 해야하는 반면, 양극과 음극은 직접 만나면 전자가 한번에 이동하여 큰 열에너지가 생겨 폭발할 수도 있기 때문에 위험하다.

 

정리하자면 음극과 양극은 전자와 리튬이온이 보관되는 용도이고, 전해액과 분리막은 안전성을 위한 소재인 셈이다.

 

(배터리가 방전된 상태 : 충전하는 과정)

배터리가 방전되면 리튬이온과 전자는 양극에 모여있게 된다.

 

이 때의 리튬은 양극 소재의 특성으로 안정적인 상태가 되기 때문에, 음극에 있을 때처럼 자발적으로 전자를 내보내려 하지 않는다. 그래서 충전기를 통해 외부 힘으로 전자를 다시 음극으로 보내야 리튬이온 역시 다시 음극으로 가는데, 이것이 배터리를 충전하는 과정이다.

 

 

참고로, 자주 들리는 전고체 배터리는 전해액을 고체로 만든 배터리를 뜻한다. 원래 전해액은 액체 상태로 부피를 많이 차지하며 배터리에 구멍이 나면 흘러서 폭팔할 위험이 있는데, 이를 고체로 만들면 안정성과 성능 측면에서 큰 개선이 가능하기에 전고체 배터리 기술이 뉴스에 종종 등장하는 것이다.

 

 

출처. 삼성SDI 유투브 채널

 

 

#배터리의 기본 단위

 

그렇다면 또 어디선가 자주 들어본 배터리 셀, 모듈, 팩은 어떤 것을 뜻하는 용어일까?

 

위의 이미지에도 나와있듯이 셀은 하나의 배터리를 뜻한다. 그리고 모듈은 셀을 여러개 합쳐둔 것이며 팩은 여러개의 모듈이나 셀을 넣은 것이다. BMW i3전기차를 예시로 들면, 하나의 팩에 8개의 모듈이 들어있고, 모듈에는 각각 12개의 셀이 들어있다.

 

사실 배터리는 여러 소재에 따라 성능이 바뀌는 영역이라 (특히 문과생이라면) 이해하기 쉬운 영역은 아니다. 그러나 앞으로 2차 전지에 관한 기사를 본다면 배터리의 원리에 대해서는 바로 전부 이해하진 못하더라도, 대충 음극재 양극재가 어떤 용도로 쓰이는 소재인지 등에 대해서는 이해하고 기사를 읽을 수 있게 될 것이다.

 

* 참고.

배터리에 대한 뉴스를 보면 100만 마일 배터리(160만km)에 대한 얘기도 많이 들린다. 그러나 사람들은 보통 차를 폐차할때까지 20~30만km 정도 타는데, 왜 그렇게 많은 주행거리가 필요한지 의문이 들 수도 있다. 그 이유는 바로 테슬라의 비전에 있다. 테슬라는 사람들이 차를 타고 다니지 않을 때, 자율운행으로 수익을 창출한다는 비전을 갖고 있다. 어찌보면 진정한 의미의 공유경제이다. 그럼 하루에 2~4시간 타서 폐차할때까지 20~30만km를 달리는데, 하루에 12~24시간 차를 굴린다고 한다면 폐차할때까지 대략 120~180만km가 필요해지기 때문에 100만 마일 배터리를 목표로 삼는 것이다.