리튬이온배터리 : 반쪽셀(Half cell)의 이해와 용도

리튬이온배터리 관련 논문들을 찾아서 읽다보면 완전셀(Full cell)과 반쪽셀(Half cell)이 등장한다. 리튬이온배터리를 처음 접하는 입장에서 매우 혼란스러울 것이라 생각한다. 그렇다면 완전셀과 반쪽셀은 어떠한 것을 의미하는 것이며 이 둘의 차이점은 무엇인지 알아보자. 

 

 

 

1.  반쪽셀(Half cell)에 대한 개념이해

LCO 반쪽셀과 Graphite 반쪽셀 (출처 : https://el-cell.com/)

반쪽셀(Half cell)은 특정 전극의 전기화학적 거동을 확인할 때 아주 용이한 장점이 있다. 예를들어 양극소재인 LCO, NCM, LNMO의 전기화학적 거동을 살피고 싶을 때, 해당 소재와 리튬메탈을 사용하여 전지를 만들어 확인한다. 또한 음극 소재인 흑연(Graphite)의 전기화학적 거동을 보고 싶을 때도 적용가능하다. 이때 반응에 참여하는 전극은 작업전극(Working electrode)라 일컫는다. 반대로 리튬메탈은 기준전극 (Reference electrode)라 일컫는다. 따라서 그림과 같은 전지형태로 반쪽 셀을 제작하여 평가할 수 있다. 

 

 

 

2.  반쪽셀(Half cell) 분석

C. Yan, Y.-X. Yao and W.-L. Cai et al. / The influence of formation temperature on the solid electrolyte interphase of graphite in lithium ion batteries

위 그림은 C. Yan, Y.-X. Yao and W.-L. Cai et al. / Journal of Energy Chemistry 49 (2020) 335–338의 문헌에서 출처된 그래프이다. 각각 [(a) 흑연(Graphite)-하프셀(Half cell)], [(b) Graphite/NMC532-하프셀(Full cell)]에 대한 그래프이다. 온도(25도, 60도)에 따른 쿨롱효율을 비교한 것이다.

 

각각의 전압은 다른 영역대를 나타낸다. (a)의 경우는 2.5~0.0V를 나타내고 (b)의 경우는 4.3~0.3V를 나타낸다. 이것은 기준전극(Reference electrode)인 리튬메탈과 보고자하는 소재의 전위차를 나타내는 값이다. 따라서 소재마다 반쪽셀(Half cell)을 제작할 경우 전위차도 다르게 나타난다. 

 

위 그래프에서 (a)는 온도가 높을수록 쿨롱효율이 증가하는 결과를 보인다. 하지만 (b)의 경우에는 반대의 결과를 보여준다. (b)에서는 온도가 높을수록 쿨롱효율이 감소하는 결과를 보여준다. 이렇듯 각 소재가 특정온도에서 쿨롱효율을 어떻게 나타내는지 쉽게 분석할 수 있는 장점을 보인다. 만약 바로 완전셀(Full cell)로 제작하여 온도에 따라 쿨롱효율을 비교 하면 어떠한 소재가 영향을 크게 주는지 알기 힘들 것이다. 결과적으로 반쪽셀(Half cell)은 소재의 성질을 확인하고 더 나아가 전지 메커니즘을 확인하는데 도움이 된다.