Q&A로 살펴본 ‘전기차 배터리’…왜 리튬이온일까?

기사승인 2019-12-20 05:00:00

◆왜 리튬이온 배터리일까?

수많은 배터리 중 전기차에 왜 리튬이온 배터리가 탑재되는 이유는 간단하다. 리튬이온 배터리는 크기가 작으면서도 부피가 작다. 게다가 에너지 밀도는 높은 최적의 배터리이기 때문이다.

이러한 리튬이온 배터리는 외관의 특징에 따라 원통형, 각형, 파우치로 구분된다. 현재 소형 배터리 기준으로 전동공구, 스마트폰, 노트북 등에 주로 채용되고 있으며, 최근에는 전기자전거, 전기자동차 등 모빌리티에 탑재되고 있다.

◆리튬이온 배터리의 원리?

리튬이온 배터리는 양극(+)과 음극(-) 물질의 ‘산화환원 반응’으로 화학에너지를 전기에너지로 변환시킨다. ‘산화환원 반응’이란 반응물 간의 ‘전자’(e-) 이동으로 일어나는 반응이다. 전자를 잃은 쪽을 산화, 전자를 얻은 쪽이 환원이다.

이러한 산화환원 반응에서, 리튬이온과 분리된 전자(e-)가 도선을 따라 음극과 양극 사이를 오갈 때, 전기가 발생되는 것이다.

아울러 리튬이온 배터리는 재사용이 가능한 2차전지인데, 이는 충전과 방전 반응이 있기 때문이다. 배터리의 리튬이온에서 분리된 전자가 양극에서 음극으로 이동하면 충전이 되고 반대로 음극에서 양극으로 이동하면 방전이 되는 방식으로 작동한다.

◆리튬이온 배터리의 힘을 책임지는 소재는?

이렇게 충∙방전이 가능한 리튬이온 배터리를 이루는 가장 기본적인 4대 구성요소에는 ‘양극’, ‘음극’, ‘분리막’ 그리고 ‘전해액’이 있다.

이 소재들 중에 배터리의 용량과 출력 특성을 주로 결정하는 것은 ‘양극’이다. 양극은 얇은 알루미늄기재와 활물질, 도전제, 바인더로 구성된다. 활물질, 도전제, 바인더를 합쳐서 ‘합제’라고 부며 합제의 모양은 작은 입자의 파우더 가루들이 섞여 있는 형태다.

리튬은 반응성이 커서 자연 상태에 있을 때에는 리튬 원소로 있지 않고, 리튬(Li)과 산소(O)가 만난 리튬산화물(Li + O)의 형태로 존재한다.

산화물 상태가 안전하기 때문에 배터리의 양극에도 리튬산화물의 형태로 리튬이 존재하는데, 리튬산화물처럼 양극에서 배터리의 전극 반응에 관여하는 물질을 '활물질'이라고 부른다.

업계에서는 어떠한 양극 활물질을 사용하느냐에 따라 배터리에 저장되는 전자(e-)의 수가 달라지고 배터리의 용량과 전압도 결정짓게 되기 때문에 리튬이온 배터리에 가장 적합한 성능을 가진 활물질을 개발, 사용하고 있다.

◆리튬이온 배터리의 수명을 책임지는 ‘음극’

2차전지의 수명에 있어서 가장 중요한 역할을 하는 것은 음극이다.

현재 리튬이온배터리의 음극 소재로 사용되고 있는 물질은 흑연(Graphite)이다. 흑연은 아주 규칙적인 분자구조를 가지고 있다. 탄소(Carbon)가 결합된 하나의 층이 여러 겹 쌓인 구조로 아파트와 흡사한 모양이다.

리튬이온이 양극에서 음극으로 이동하는 충전 과정에서 음극에 도착한 리튬이온은 흑연 층 사이사이로 들어가 저장되는데, 그렇게 리튬이온이 들어간 흑연은 팽창돼 부피가 늘어난다.

이렇게 리튬이온이 흑연 층을 왔다 갔다 하면서 음극의 부피가 계속해서 변하게 되고 이는 흑연 구조에 미세한 변화를 발생시키면서 수명도 미세하게 감소되는 것이다.

다만 이러한 음극의 부피 변화는 자연스러운 현상으로 안전성이나 주요 특성 등은 바뀌진 않는다. 그러나 배터리 사용시간이 조금씩 줄어들게 되는 것은 사실이다.

이런 충방전 시의 부피 변화는 배터리 용량에도 영향을 미친다. 이에 따라 베터리 제조사들은 제품을 설계할 때 배터리 내부에서 발생할 구조적인 변화를 어느 정도 반영해 배터리를 설계하고 있다.
이는 팽창이 많이 되는 음극 소재를 사용하게 될 경우 여유 공간을 많이 잡아야 하기 때문에 용량이 상대적으로 줄어들게 되기 때문이다.

반면 부피가 덜 팽창하는 음극 소재를 사용하게 되면 여유 공간을 적게 가져갈 수 있어서 보다 높은 용량을 가질 수 있다. 이에 따라 흑연의 팽창을 줄이는 연구가 배터리 업계에서 활발히 진행되고 있다.

◆차세대 음극 소재는?