2차전지 종류 및 기술 정리

안녕하세요!

돈 굴리는 남자 입니다.

 

오늘은 전기차의 핵심 부품인 배터리에 대해 알아보았습니다.

 

 

목  차

 

2차전지 원리

 

2차전지는 한 번 쓰고 버리는 1차전지인 건전지와 달리 사용 후에도 다시 충전 과정을 거쳐 재사용이 가능한 전지를 의미합니다.

우리가 흔히 쓰고 있는 핸드폰, 노트북 배터리가 2차전지라고 할 수 있습니다.

 

2차전지의 기본 원리는 전기 화학적 산화/환원 반응에 의해 발생하는 이온의 이동을 통해 전기를 발생시키고, 그 반대 과정으로 충전하는 것입니다.

 

쉽게 생각하면 화학반응을 통해 얻은 화학적 에너지를 전기적 에너지로 변환시켜 준다고 이해됩니다.

 

[출처 : 포스코케미칼]

 

이온의 물질이 양극과 음극에서 서로 다름으로 인해 발생되는 물질의 고유 에너지 차이로 인한 전압차가 발생합니다.

 

2차전지의 종류와 특징

 

[출처 : KIST 이차전지센터, 2차전지 분류 및 비교]

 

위의 표는 2차전지의 종류와 특징 비교표이며, 배터리 개발 순서대로 정리되었습니다.

 

그럼 2차전지별 특징과 사용처에 대해 알아보도록 하겠습니다.

 

납축전지 (Lead-Acid Battery)

 

우리가 흔히 자동차의 밧데리(배터리)라고 말하는 제품이 2차 전지 중 납축전지에 해당합니다.

 

이 배터리의 주요 기능은 '차량 시동 기능, 비상시 차량 점등 기구에 전원 공급, 점화 코일에 필요한 전원 공급' 등의 기능을 하고 있습니다.

 

주차장에서 비상 깜빡이를 켜놓고 내려서, 자동차 배터리가 방전되어 차량 시동이 걸리지 않게 된 경험을 하신 분도 계실 것입니다.

 

[출처 : 현대성우쏠라이트]

 

이 납축전지는 무겁고 에너지 저장 밀도가 낮은 단점이 있습니다.

대신 넓은 작동 온도와 저가인 장점이 있어서 차량 장치에 많이 사용되고 있습니다. 

 

[출처 : 현대성우쏠라이트]

납축전지는 납과 묽은 황산으로 구성된 배터리로 음극(Pb, 납)과 양극(PbO2, 이산화납)을 전해액(H2SO4, 황산납)에 넣어 회로를 만들면, 화학반응에 의해 전기적인 기전력이 발생하는 원리입니다. 

 

방전하면서 발생하는 황산납을 충전을 통해 100% 황산 및 납으로 환원하지 못하기 때문에 배터리의 기능이 점차 떨어지게 됩니다.

 

참고로 황산납은 전기가 통하지 않는 절연체의 성질을 가지고 있어서 배터리의 내부저항을 증가시킵니다.

그래서 충전 효율 및 출력(방전을 통해 나오는 전기적 힘)을 감소시키며, 

황산납은 전극판에 붙어서 증식해 나가는 성질이 있기 때문에 계속적으로 충전용량이 줄어들게 됩니다.

 

니켈-카드뮴 전지 (Ni-Cd Battery)

 

니켈-카드뮴 전지는 수산화니켈(NiOOH)로 된 양극, 수산화카드뮴(CdOH)로 된 음극, 수산화칼륨(KOH)로 된 전해질로 구성되어 있습니다.

 

휴대용 전자기기와 장난감에 널리 쓰이며, 알칼라인 전지와 같은 1차 전지를 대신해서 쓰이기도 합니다.

 

 

 

납축전지보다 무게에 비해 효율이 좋고 수명이 상대적으로 깁니다. 

또한, 전해질을 황산 대신 알카리 수용액을 사용하기 때문에 산성 수용액보다 전도성이 뛰어나다는 장점이 있습니다.

 

니켈-카드뮴 전지는 철도, 비행기 엔진 시동용 등을 비롯하여 고출력이 요구되는 다양한 산업 및 군사 용도로 사용되고 있습니다.

 

[출처 : 삼성SDI]

니켈-카드뮴 전지는 양극은 수산화니켈(NiOOH), 음극은 수산화카드뮴(CdOH), 전해액은 주로 수산화칼륨 수용액(KOH)을 사용하고 있습니다.

 

하지만 메모리 효과가 있어서 초기에 완전히 방전하지 않고 충전을 하게 되면, 용량이 줄어드는 단점이 있어서 완전 방전 후에 충전하여야 오래 사용할 수 있습니다.

 

* 메모리 효과
: 충전지를 완전 방전되기 이전에 재충전하면 전기량이 남아 있음에도 충전기가 완전 방전으로 기억하는 효과를 가지게 되어, 최초에 가지고 있던 충전용량보다 용량이 줄어들면서 충전지 수명이 줄어드는 현상.

중금속인 카드뮴은 환경문제 및 인체에 유해하다는 안전 상의 단점을 가지고 있어서 건전지 중 AA, AAA 사이즈급에서는 거의 사장된 상태이며, UPS(Uninterruptible Power Supply, 무정전 전원 장치) 및 일부 실내 무선전화기에 사용되는 정도입니다. 

 

또한, 한번 충전해 놓고 오랜 시간 사용하지 않고 버티다가 언제 올지 모르는 정전 시 비상유도등에 불을 켜는 용도로서는 니켈-카드뮴 전지가 최적이라 할 수 있습니다.

 

니켈-수소 전지 (Ni-MH Battery)

 

니켈-수소 전지는 에너지 저장밀도 향상 및 중금속인 카드뮴을 제거한 전지입니다.

 

보편적으로 가장 많이 사용되고 있는 충전지이며, 메모리 효과가 있어 2~3회 충전 중 1번은 완전히 방전된 후 충전을 권장합니다. 

니켈-수소 전지는 양극은 수산화니켈(NiOOH), 음극은 수소저장합금(MH, Metal Hydride), 전해액은 수산화칼륨 수용액(KOH)으로 구성되어 있습니다.

 

니켈-카드뮴 전지의 카드뮴이 환경오염 및 인해 유해물질로 인해 음극을 수소저장합금으로 교체한 것 입니다.

수소는 기체 상태로 200배까지 저장가능하고, 액화 시 부피가 줄어 800배까지 저장할 수 있으며, 수소저장합금으로는 1,000배까지 저장가능 합니다.

여기서 수소저장합금은 일종의 촉매 역할을 합니다.

 

기존 니켈-카드뮴 전지에 비해 고용량이었기 때문에 니켈-수소 전지는 2000년 중반까지 인기가 있었습니다.

카세트 플레이어와 휴대용 CD 플레이어 등에 들어갔던 사각형의 충전기가 니켈-수소 전지입니다.

이후 보급된 MP3 플레이어가 내장형으로 바뀌었고, 디지털카메라 배터리의 상당수는 전용 배터리로 바뀌면서 수요가 많이 줄어들었습니다. 

 

리튬-이온 전지 (Li-ion Battery)

 

리튬-이온 전지는 기존의 니켈-카드뮴, 니켈-수소 전지보다 큰 전류를 필요로 하는 휴대기기에서 사용되고 있습니다. 

 

배터리 크기에 비해 용량이 큰 편이며, 동일 크기의 니켈-카드뮴 전지보다 용량이 3배 높고, 메모리 현상이 없어서 배터리의 용량이 줄어들지 않아 오랫동안 사용할 수 있습니다.

 

하지만, 가격이 비싸고, 높은 온도에서 폭발할 수 있는 문제점이 있습니다. 

 

[출처 : 삼성SDI]

리튬-이온 전지는 크게 4개의 구성요소인 '양극재, 음극재, 전해액, 분리막'으로 이루어져 있으며, 이에 대해 자세히 알아보도록 하겠습니다.

 

양극재

 

리튬-이온 전지는 양극에 있는 리튬의 화학적 반응을 통해 전기를 생산합니다. 

하지만 리튬은 원소 상태에서는 반응이 불안정해서 리튬과 산소가 결합한 리튬산화물이 양극에 사용됩니다.

 

리튬산화물처럼 양극에서 실질적으로 배터리의 전극 반응에 관여하는 물질을 '활물질'이라고 합니다.

 

[출처 : 삼성SDI]

알루미늄기재(양극기재)는 2차 전지의 용량과 전압을 결정하는 양극 활물질을 지지하는 동시에 전자의 이동 통로 역할을 하는 소재입니다.

높은 열전도성으로 전지 내부의 열 방출을 돕는 역할을 합니다. 

 

최근 롯데케미칼의 자회사인 롯데알미늄과 동원시스템즈가 알루미늄 양극박 시장 선점을 위해 노력하고 있습니다.

 

위의 그림에서 '합재'는 다음과 같이 구성됩니다.

- 활물질 : 리튬-이온을 포함하고 있는 물질
- 도전재 : 리튬산화물의 전도성을 높이기 위해 사용
- 바인더 : 알루미늄기재에 활물질과 도전재가 잘 정착할 수 있도록 도와주는 접착제 역할 

싸고 구하기 쉬운 탄소로 이루어진 음극재와 달리 양극재는 리튬에 니켈(Ni), 코발트(Co), 망간(Mn), 알루미늄(Al)을 혼합해 만듭니다.

 

양극재 주성분에 따라 배터리 성능이 아래와 같이 달라집니다.

* 양극재 성분별 특징
- 니켈(Ni) : 함유량이 많으면 배터리 용량 증가
- 망간(Mn) : 함유량이 많으면 가격은 낮아지고, 열에도 안정성 확보
- 코발트(Co) : 함유량이 많으면 배터리 수명 증가

배터리 용량을 증가시키기 위해 니켈 함량을 높이면 되지만, 니켈 함량을 90~95%까지 올리면 용량 감소가 급격하게 일어나는 단점이 있습니다.

 

음극재

 

음극 역시 양극처럼 활물질이 입혀져 있으며, 음극 활물질은 양극에서 나온 리튬-이온을 가역적(물질의 상태가 원래로 돌아가는 성질)으로 흡수/방출하면서 외부회로를 통해 전류를 흐르게 하는 역할을 하게 됩니다.

 

여기서 동박(음극기재)은 음극재로 활용하는 얇은 구리막입니다.

동박이 얇을수록 제한된 배터리 속에 보다 많은 음극 활물질을 채울 수 있어 배터리의 초경량, 고용량화를 좌우합니다. 

 

참고로 SK넥실리스는 지난해 세계에서 가장 얇은 4 마이크로미터 두께(머리카락의 약 8분의 1)의 동박을 생산하는데 성공했습니다. 

 

[출처 : LG CNS]

 

배터리가 충전 상태일 때는 리튬-이온은 양극이 아닌 음극에 존재하며, 전력을 사용되면(방전 시) 리튬-이온은 자연스럽게 전해액을 통해 다시 양극으로 이동하게 되고, 리튬이온과 분리된 전자(e-)는 도선을 따라 이동하면서 전기가 발생하는 원리입니다.

 

음극재로 안정적인 구조를 지닌 흑연(Graphite)이 사용됩니다.

흑연은 음극 활물질이 지녀야 할 많은 조건들인 '구조적 안정성, 낮은 전자 화학 반응성, 리튬 이온을 많이 저장할 수 있는 조건, 가격' 등에 경쟁력을 갖춘 재료입니다.

 

[출처 : 삼성SDI]

 

리튬-이온 전지는 충전과 방전을 반복하면서 지속적으로 사용할 수 있지만, 오래 사용하다 보면 리튬-이온이 흑연 층을 왔다갔다 하면서 음극의 부피가 계속해서 변하게 되고, 이는 흑연 구조에 미세한 변화를 발생시키면서 수명이 줄어들게 됩니다. 

 

충전/방전 시 음극재의 부피 변화는 배터리 용량에도 영향을 미칩니다.

따라서 음극재의 충전 시 부피 팽창을 줄일 수 있다면, 배터리 내에 여유 공간을 활용하여 더 높은 용량의 배터리를 만들 수 있게 됩니다. 

 

최근 고용량 배터리의 수요가 높아지면서 흑연을 대체할 음극 소재로 실리콘(Si)이 주목받고 있습니다.

실리콘은 흑연에 비해 질량 대비 에너지 밀도가 약 10배 정도로 크다는 장점이 있지만, 흑연 대비 구조적 안정성이 떨어져 이를 보완하고자 연구개발이 진행 중에 있습니다. 

 

전해액

 

리튬 이온은 전해액을 통해 이동하고, 전자는 도선을 통해 이동합니다.

전해액은 아래 보시는 그림처럼 양극과 음극 사이에서 리튬 이온을 이동할 수 있도록 하는 매개체 역할을 합니다.

 

[출처 : 삼성SDI]

 

전해액의 역할을 잘 수행하기 위해서는 전자를 배제하고, 이온만 양극으로 잘 이동할 수 있는 환경을 조성해야 합니다.

이를 위해 전해액은 '염, 용매, 첨가제'로 구성되어 있습니다.

- 염 : 리튬 이온이 지나갈 수 있는 이동 통로
- 용매 : 염을 용해시키기 위해 사용되는 유기 액체
- 첨가제 : 특정 목적을 위해 소량으로 첨가되는 물질

전해액의 종류에 따라 리튬 이온의 움직임이 결정되는 특성이 있습니다. 

 

분리막

 

분리막은 전해액과 마찬가지로 배터리의 안정성을 결정짓는 구성요소입니다.

 

분리막은 절연 소재의 얇은 막으로 주요 역할 및 요구 조건은 다음과 같습니다.

 

1) 배터리 내부에서 양극과 음극이 접촉하지 않도록 분리

   : 전기화학적으로 안정적이어야 하고, 절연성이 뛰어나야 함.

 

2) 미세한 기공(Pore)를 통해 리튬이온이 양극과 음극 사이를 이동할 수 있도록 통로를 제공

   : 리튬이온이 원활하게 통과할 수 있도록 분리막 표면에 기공이 많고, 기공의 크기가 균일해야 함.

 

3) 배터리 내부 온도가 일정 수준 이상 올라가게 되면, 분리막 표면에 위치한 기공들이 막혀 리튬이온의 이동을 차단해 내부적으로 쇼트(Short-circuit, 단락) 발생을 방지

   : 배터리의 온도가 일정 수준을 넘어섰을 때 분리막 자체적으로 기공을 막아 리튬이온의 이동을 차단하여 안정성을 확보해야 함. 

 

4) 높은 기계적 강도를 가지고 있어 강한 힘을 받을 때 배터리 내부에서 발생하는 부산물이나 이물질들을 막아 안정성을 확보

   : 배터리의 에너지 밀도 향상을 위해 두께가 얇아야 더 많은 양의 활물질을 넣을 수 있으므로, 분리막은 얇으면서도 기계적 강도가 우수하고 쉽게 손상되지 않아야 함. 

 

현재 사용화 되고 있는 분리막은 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP)와 같은 합성수지를 사용하고 있습니다. 

 

삼성SDI는 분리막 코팅 기술을 통해 '초고내열성 분리막'을 개발하였고, 배터리 안정성 확보 및 박막화 기술을 통해 배터리 용량을 증가시켰습니다.

 

전고체 전지 (All Solid State Battery)

 

배터리 양극과 음극 사이에 있는 전해질을 기존 액체에서 고체로 대체한 차세대 전지입니다.

 

[출처 : 동아신문]

완전 충전 시간은 10~15분으로 기존 리튬이온 배터리보다 짧고, 주행 거리는 두 배 이상 깁니다.

또한, 충격에 대한 안전성은 월등히 높고, 리튬-이온 전지와 같이 고온에서 반응을 일으켜 폭발할 위험도 상대적으로 자유롭습니다.

 

[출처 : 동아신문]

 

리튬-이온 전지에 들어가는 분리막 소재가 필요 없기 때문에 더 얇게 만들 수 있으며, 유연한 전지를 만드는 데도 유리합니다.

 

수많은 장점에도 불구하고 리튬-이온 전지가 발전하게 된 이유는 액체 전해질처럼 전도도가 높은 고체 소재를 발견하지 못해 에너지를 많이 저장할 수 있지만, 충분한 출력을 내지 못하기 때문입니다. 

 

일본 도요타는 전고체 전지의 개발에 총력을 기울이고 있으며, 2012~2014년 도요타가 출원한 차세대 전지 관련 특허의 68%가 전고체 배터리 분야입니다. 현재 도요타는 1,000개가 넘는 전고체 배터리 특허를 보유하고 있습니다.

 

일본은 고체 전해질 소재로 전도도가 높고 상대적으로 부드러워 공정에 적용하기 좋은 황화물 소재를 연구 개발하고 있습니다. 

 

삼성전자 또한 전고체 전지 관련 연구결과를 네이처 에너지를 통해 공개했습니다.

핵심 내용은 전고체 전지의 음극 소재로 리튬금속(Li-metal)이 사용되고 있는데, 리튬금속은 전고체전지의 수명과 안전성을 낮추는 '덴드라이트(Dendrite)'문제를 해결해야 하는 기술적 난제가 있었습니다.

 

* 덴드라이트(Dendrite)
: 배터리를 충전할 때 양극에서 음극으로 이동하는 리튬이 음극 표면에 적체되어 나타나는 나뭇가지 모양의 결정체가 생성되는 현상으로 이 결정체는 배터리의 분리막을 훼손해 수명과 안전성이 낮춥니다. 

 

삼성전자는 덴드라이트 문제를 해결하기 위해 전고체 전지 음극에 5 마이크로미터(100만분의 1미터) 두께의 은-탄소 나노입자 복합층(Ag-C Nanocomposite Layer)을 적용한 '석출형 리튬 음극 기술'을 세계 최초 적용하였습니다.

 

이를 통해 전고체 전지의 안전성과 수명을 증가시켰으며, 배터리 음극 두께를 얇게 만들어 에너지 밀도를 높일 수 있었습니다.