잘은 몰랐는 리튬전지(휴대폰 배터리)의 작동원리

안녕하세요?

 

현재 우리가 사용하ㅔ는 스마트폰을 비롯해서, 심지어는 전기 자동차에도 널리 사용이 되는 것이 바로 '리튬 이온 전지'라고 하는 조그만한 사각형의 이 배터리가 들어가서 전기를 공급하는 역할을 하고 있습니다. 그런데 우리는 이 리튬 이온 전지에 대해서 자세히는 알고 있지 못하고, 그저 휴대폰의 배터리 정도로만 생각하는데, 마침 이에 대해서 설명을 하는 자료를 보았기에 이번 포스팅에서 이에 대해서 다루어 보고자 합니다.

먼저 전지라고 해서 일반적으로 '화학전지'라고 불리는 배터리는 1차 전지와 2차 전지로 나뉘는데, 1차 전지는 '방전'이라고 해서 전기를 발생만 시키는 망간이나 알카리 건전지등 1회용 건전지가 대표적입니다. 이에 비해서 2차 전지는 '축전지'라고 해서 방전과 충전을 되풀이 해서 사용하는 전지로, 대형 납축전지와 니켈수소 전지, 그리고 이번 포스팅에서 다룰 '리튬이온 전지'가 있습니다.

 

 

 

먼저 설명할 것은 전지에서 전기가 발생을 할 때는, 전자를 받아들이는 반응인 환원반응을 일으키는 '양극'과 전자를 방출하는 산화반응을 일으키는 '음극'이 필요합니다. 여기서 리튬이온이 어떤 역할을 하느냐 하면, 양극에서는 전자를 방출한 다음에, 음극으로 가서는 전자를 가지고 오는 일종의 셔틀 역할을 하게 됩니다.

먼저 리튬이온이라고 해서 Li로 표기된 빨간색 원이 전자인 파란색 알갱이를 들고 가다가 음극인 -극에서 전자를 내놓게 됩니다. 그리고 나서 전자가 전선을 타고, 혹은 회로를 타고 다시 +극으로 오게 되면, 전자를 잃은 리튬이온이 와서 다시 전자를 받게 됩니다. 이러한 방법으로 전기를 발생시킨다면, 충전시에는 위 그림의 방식과 반대가 되는 반응이 일어나게 됩니다.

그리고 여기서 중요한 것이 하나 있는데, 바로 '분리막 - 새퍼레이터(seperator)'라는 초미세의 구멍이 뚫린 절연체가 -극과 +극을 갈라 놓아서 리튬이온은 통과 하지만 양극과 음극이 만나서 쇼트라고 불리는 합선, 혹은 내부 단락이 일어나지 않도록 막아 줍니다. 이 절연체인 분리막이 무슨 물질인지는 모르나, 확실한 것은 우리가 상요하는 리튬 베터리의 크기를 볼 때 상당히 얇게 만들 수 있는 물질로 보입니다.

 

 

 

그리고 음극과 양극 사이에는 당연하게도 '빈공간'이 아니라 '전해질'이라고 하는 액체로 채워져 있습니다. 액체이기 때문에 '전해액'으로도 불리는데, 문제는 이 전해액이 '가연성 유기 용매'로 채워지기 때문에, 배터리가 폭발이나 발화가 하거나 시간이 지나면서 변질되어 부풀어 오르는 등의 문제가 있습니다.

그리고 -극인 음극에는 집전체라고 해서, 전자를 모으는 역할을 전통적으로 구리가 핮3ㅣ만, 특이하게도 '그래파이트(grapite)'라고 불리는 '흑연'을 사용하고 있습니다. 저는 그전에는 몰랐습니다만, 전기 전도성이 상당히 좋아서 전기 용광로 등의 전극에 자주 사용이 되었다고 합니다. 말 그대로 리튬 이온의 전자가 전도성이 좋은 흑연에 붙어서 구리판에 모인 다음, 이게 전선이나 회로를 통해서 흘러가게 한다는 것을 알 수 있습니다.

양극에서는 집전체로 구리가 아니라 알류미늄박이 사용이 되며, 여기서 모인 전자는 특이하게도 코발트산 리튬이라는 물질에 들어가서 전해질인 유기 용매속을 떠 다니고 있는 리튬 이온에 가서 붙게 됩니다. 당연하다면 당연하게도, 여기 양극(+극)에서 전자를 받은 리튬이온은 다시 분리막인 새퍼레이터를 지나서 음극에 간 다음, 전자를 내 놓게 될 것입니다.

 

 

지금까지는 리튬이온 전지의 역할을 파트별로 세세하게 살펴 보았습니다. 일단 리튬 자체의 특성도 상당히 중요한데, '금속의 이온화 경향'이라고 해서, 금속원소가 양전기를 띄 이온인 양이온이 되기 쉬운 정도를 나타내는 지표가 있습니다. 리튬의 경우 원자번호가 3인 만큼, 금속 중에서 이온화 경향이 가장 커서, 전지로 이용할 경우 높은 전압을 얻을 수 있습니다.

 거기다가 원자량도 작아서 전지의 경량화에도 도움이 되며, '메모리 효과'라고 해서 완전히 사용하지 않고 충전을 반복할 경우 1회에 충전이 되는 최대 전기량(Ah)이 감소하는 효과도 없습니다. 다만, 리튬 자체가 '희소금속(rare metal)'에 속하므로, 지구의 지각에는 0.002% 밖에 존재하지 않고, 80%는 남아메리카에 집중되어 있는 단점이 있습니다.

잡설이 길어졌는데, 마지막으로 리튬전지의 전체적인 모습과 작용방식을 정리해 보았습니다. 이 전지에는 음극과 양극이 직접 접촉되는 것을 막기 위해서 '분리막(새퍼레이터)'가 있으며, 가연성에 리튬이온을 포함한 유기용매인 전해질로 채워져 있ㅅ브니다. 그리고 음극인 -극에는 흑연인 그래파이트가 쓰이고, 양극에는 코발트산 리튬이 사용이 됩니다.