리튬이온배터리의 작동원리 설명 (충전과 방전)

세계적인 전기차 회사 테슬라의 등장으로 인해 전기차의 시대가 시작되었고, 동력원인 리튬이온 배터리가 엄청난 관심과 주목을 받고 있다. 전기차의 핵심부품인 배터리, 현재 상용으로 사용되는 리튬이온배터리의 기본적인 원리에 대해 알아보자.

 

 

 

1. 리튬이온배터리 구조 및 소재

리튬이온 배터리의 원리 (출처 : SINO VOLTAICS)

리튬이온 배터리는 양극(Cathode), 음극(Anode), 분리막(Separator), 전해액(Electrolyte) 총 4가지 소재로 구성되어 있다. 양극과 음극은 각각 리튬이온을 저장하거나 내보내는 역할을 한다. 분리막은 양극과 음극을 차단시켜 내부 단락(쇼트)를 방지하고 전해액은 리튬이온이 이동할 수 있는 통로 역할을 수행한다.

리튬이온 배터리 반응식

양극/음극은 구조에 따라 여러 종류가 있지만 LiCoO2 (양극)/Graphite (음극)으로 예를 들어 설명하겠다. 

 

먼저 배터리를 구성하는 소재들의 구조들을 파악할 필요가 있다.모든 양극이 층상구조는 아니지만, 대표적인 양극인 LCO의 경우 층상구조로 이루어져 있으며 층사이에 리튬이온이 자리 잡고 있는 형태이다. 또한 음극인 Graphite의 경우 자료사진과 같이 층상구조를 이루는 특징이 있다.

 

 

2. 리튬이온배터리 작동 메커니즘

충전

배터리 외부에서 전기를 가해 충전을 시켜주면 양극에 있는 리튬이온들이 음극으로 이동하게 된다. (반응식 참고) 음극소재는 흑연으로 층상구조로 되어있는데, 양극에서부터 이동된 리튬이온이 흑연의 층에 자리 잡아 안착하게 된다. 따라서 양극에서는 전자를 잃는 산화반응이 일어나게 되고, 음극에서는 전자를 얻는 환원 반응이 일어난다. 이것은 비자발적인 화학반응이다. (Irreversible)

 

방전

반대로 충전을 완료하고 나서, 전기를 사용하게 되면 음극에 있던 리튬이온이 다시 양극으로 이동하는 것이 방전과정이며 해당 반응은 자발적인 화학반응이다. (Reversible) 음극(흑연)에 있던 리튬이온이 전자를 잃게 되어 산화반응이 발생하고, 이동된 리튬이온이 양극층에 다시 들어가게 되면서 환원 반응이 일어난다. 보통 배터리에서는 방전 과정을 주로 이야기하기 때문에 이때 양극을 (Cathode) 음극을 (Anode)라고 일컫는다.