리튬이온 배터리의 구조와 작동원리

Samsung E1200i - Lithium-ion battery. https://commons.m.wikimedia.org/wiki/File:Samsung_E1200i_-_Lithium-ion_battery_AB463446BU-4036.jpg

리튬이온 배터리

리튬이온 배터리는 충전하여 반복적으로 사용할 수 있는 배터리의 일종입니다. 배터리 내부의 양극과 음극 사이에서 리튬이온이 오락가락하여 충전과 방전을 함으로써 반복 사용할 수 있습니다.

리튬이온 배터리를 세계 최초로 상품화한 곳은 소니에너지텍으로, '리튬이온 배터리'이라는 이름을 붙였습니다. 반복적으로 사용이 가능한 전지를 이차전지로 분류하기 때문에 리튬이온 이차전지라고 부르기도 합니다.

리튬이온이란?

리튬이온은 배터리의 작동에 중요한 역할을 합니다. 리튬이온은 리튬원자가 이온이 된 것입니다. 바탕이 되는 리튬(원소기호 Li)은 원자번호 3의 원소입니다. 순수한 리튬은 백색을 띤 부드러운 금속입니다. 1개의 리튬원자에 하나의 전자가 제거된 것이 리튬이온(화학식은 Li+)입니다. 전자는 마이너스 전하를 가지고 있으므로 리튬이온은 전자 하나 분의 플러스 전하를 가지고 있는 것입니다.

리튬이온은 액체나 고체에서 움직이기 쉬운 성질을 가지고 있습니다. 다른 많은 이온은 움직이기 어려워서 오락가락 이동시키기 어렵습니다. 그러나 움직이기 쉬운 리튬이온을 사용함으로써 배터리로 작동할 수 있는 것입니다.

리튬이온 배터리의 구조

리튬이온 배터리는 일반적으로 양극 · 음극 · 전해액 · 세퍼레이터로 구성됩니다. 전해액에 양극과 음극이 세퍼레이터를 사이에 두고 잠겨있습니다.

◆ 리튬이온 배터리의 구성재료
• 양극 : 리튬과 금속을 포함하는 산화물(세라믹)이 사용됩니다. 대표적인 예로는 리튬코발트산화물(LiCoO2)이나 니켈산리튬(LiNiO2), 망간산리튬(LiMn2O4) 등이 있습니다.
• 음극 : 주로 흑연이 사용됩니다.
• 전해액 : 유기용매에 리튬화합물(LiPF6, LiBF4, LiClO4 등)을 녹인 것이 사용되고 있습니다. 유기용매의 예로는 에틸렌 카보네이트, 프로필렌 카보네이트, 디메틸 카보네이트 등이 있습니다.
• 세퍼레이터 : 폴리올레핀이라는 고분자화합물로 이루어진 막을 사용합니다. 막의 표면에는 1마이크로미터 이하의 작은 구멍이 있습니다. 폴리올레핀의 구체적인 예로는 폴리에틸렌이나 폴리프로필렌 등이 있습니다.
•  용기 : 금속케이스 및 적층재(알루미늄 또는 스테인레스와 같은 얇은 금속을 폴리에틸렌, 테레프탈레이트 및 폴리프로필렌 등의 수지로 샌드위치한 것)이 사용됩니다.
※ 1마이크로미터는 1밀리미터의 1000분의 1

리튬이온 배터리가 방전(충전 및 방전)을 하는 원리

리튬이온 배터리가 방전(충전 또는 방전)하면 리튬이온이 양극과 음극 사이를 이동합니다. 리튬이온 배터리에 사용되는 많은 양극과 음극의 재료는 층상구조로 되어 있으며, 층과 층 사이에 리튬이온을 저장할 수 있습니다. 위에서 언급한 바와 같이 리튬이온은 전자 하나 분의 플러스 전하를 가지고 있기 때문에, 리튬이온을 포함한 음극재료에서 리튬이온이 빠져나갈 때 음극은 마이너스 전하를 가지게 됩니다. 이 마이너스 전하를 전자로써 배터리에서 추출하여 전력을 얻을 수 있습니다. 이 과정이 방전반응(배터리를 사용하는 반응)입니다.

반대로 외부에서 전기를 공급하면 음극에서 전자를 받아들여 음극재료가 마이너스의 전하를 가지게 됩니다. 이 마이너스를 상쇄하기 위해 양극에서 온 리튬이온이 음극에 포함됩니다. 이 과정이 충전반응(배터리를 사용할 수 있는 상태로 만드는 반응)입니다. 음극에 리튬이온이 쌓여 있기 때문에 위에서 설명한 방전을 할 수 있게 됩니다.

충전과 방전에서 양극은 음극에서 나간 리튬이온을 모으거나 음극에 모인 리튬이온의 목적지 같은 역할을 하고 있습니다. 이렇게 리튬이온을 움직여 전기를 저장하거나 방전시켜 이차전지로 작동하게 합니다.