리튬이온 배터리의 충방전 원리(The principle of lithium-ion battery)

*본론에 들어가기에 앞서 배터리를 이해하기 위한 사전지식 '산화환원반응'에 대해 정리하면

 

"전자를 잃은쪽은 산화수가 증가하고 산화되며, 전자를 얻는쪽은 산화수가 줄어들고 이때 잃은 전자수와 얻은 전자수는 항상같습니다"

 

예를 들면 수소이온 H+는 산화수가 1인 이온이며, 산소이온 O2-는 산화수가 -2인 이온입니다.

 

 

① 리튬이온 배터리의 충방전 원리

 

이제 배터리내 이온과 전자의 거동에 관해서 다루어 보겠습니다!

 

제가 가장 해깔렸던 부분과 도무지 다른사람들은 왜 이렇게 설명을 하는지 이해가 안되는 그림이 바로 밑의 그림입니다.

 

보통 리튬배터리 원리라고 치면 나오는 이미지인데요

 

출처 : https://pubs.rsc.org/en/content/articlehtml/2017/ta/c7ta05283a

 

그림을 상세하게 보지 않으면 전자가 어떻게 움직이는지 파악이 힘듭니다.

 

리튬은 배터리안에서 왔다갔다하는것 같은데 전자는 배터리 바깥에 화살표로 되어있고.. 이게뭐지..?

 

그래서 저는 제가 생각하는 방식대로, 처음 배터리를 접하는 사람이 이해하기 쉽도록 한번 정리해보았습니다.

 

 

"리튬이온의 양극과 음극은 축구골대이며, 축구선수가 한명씩 서있다.

그리고 충/방전시마다 이들은 도깨비슛을하여 한개의 공을 발로차면 두개로 날아갔다가(방향은 90'로 서로 다른방향) 상대방 골대에서 다시 하나로 합쳐진다."

 

 

위의 문장만 이해하면 배터리거동 분석 완료입니다!

 

즉, 충전시에는 리튬이온이 양극(+)에서 음극(-)으로 이동하며, 전자 또한 양극(+)에서 음극(-)으로 이동합니다.

 

이 리튬이온과 전자가 각각 공 1개씩이라고 보면 됩니다.

 

 

다시 깔끔하게 정리해보시죠!

 

 

양극과 음극은 축구골대고, 축구선수가 한명씩 서있습니다.

 

"배터리를 충전 한다"는 의미는 양극(+)의 축구선수가 음극(-)의 골대로 공을 발로 찹니다.

 

이때는 공 1개를 발로차는것입니다. (축구선수가 공2개를 동시에 발로찰 순 없으니)

 

이때 차는 공1개는 '리튬'(Li) 입니다.

 

축구선수가 공을 발로차서, 발에 맞게 되는 순간!!

 

 

이 리튬은 리튬이온(Li+)와 전자(e-)로 나뉘어집니다!

 

그리고 이 둘은 각기 다른방향이지만 최종목적지는 동일하게 음극(-)의 골대를 향해 날아갑니다.

 

두개의 공으로 나뉘어져 가다가 골대 근처(음극)에 도착하게 되면 도깨비슛의은 사라지고 다시 1개의 축구공으로 합쳐져서 최종적으로 골인하게 되는 것입니다.

 

즉,

 

[양극] O(Li) ->[날아가는중] O(Li+),O(e-) ->[음극] O(Li)가 되는 것입니다. (O는 축구공입니다)

 

충전은 이 프로세스의 반대입니다.

 

[음극] O(Li) ->[공이 날아가는중] O(Li+),O(e-) ->[양극] 합쳐짐 입니다.

 

 

② 전자와 리튬이온이 날아가는 방향은 왜 다를까요??

 

바로 '분리막(seperator)' 때문입니다.

 

분리막은 전자전도도가 아주 낮고(저항이 아주 높습니다.), 리튬이온 전도도는 높은데 이렇게 만든 이유는

 

분리막이 없어서, 전자가 배터리 내부로 이동한다는것은 집전체와 연결된 외부회로로 전류가 흐르지 않고 배터리 자체가 쇼트나는 것이기 떄문입니다. (화재가 날수 있죠)

 

따라서, 저항이 아주 높은 분리막 대신 상대적으로 저항이 낮은 집전체로 모이게 되고 외부회로로 전류가 흐르게 됩니다.

 

하지만 여기서 배터리제조업체들의 사건사고가 많이 발생하는데, 분리막은 두꺼울수록 안전하지만 배터리가 커지고 효율이 떨어지게됩니다.(양산비용도 증가)

 

 

햄버거 패티를 생각하면 쉽습니다. 빵과 빵이 음극,양극이라고 치면 이것을 나누어주기위해 중간에 고기패티가 들어가죠??

 

이 고기패티를 분리막이라고 생각해보면, 고기패티를 두껍게 맛있게 만들수록(=배터리를 안전하게 만들수록), 햄버거의 원가는 올라가고 부피/무게도 증가하게 됩니다.

 

배터리에서 부피/무게/원가는 그냥 제일 중요한 3요소라고 볼 수 있죠

 

이게 증가한다는 것은 사실상 배터리 셀을 팔지 않겠다...라고 생ㄱ..

 

따라서 이 분리막을 최대한 얇게만드려고 노력하는데

 

간혹 공정불량에 의해 얇게만든 분리막에 이상이 생겨 배터리 내부 쇼트가 발생하는 경우가 있습니다.

 

출처 : Source of Detrimental Dendrite Growth in Lithium Batteries Discovered Posted by MSE Supplies Admin on Oct 17, 2019

 

혹은, 리튬플레이팅 현상에 의해 덴드라이트가 발생하여 분리막을 찢어버리는 현상도 발생하는데요

 

이 리튬 덴드라이트(Lithium-dendrite)에 대해서는 곧 정리해보도록 하겠습니다!

 

 

+2024년) 배터리를 이해하기위한 전기화학 기초라는 글을 작성하였습니다.

본글과 궤를 유사히하는 내용으로, 같이보시면 도움이 되실것 같습니다.(하기링크)

https://limitsinx.tistory.com/319

배터리를 이해하기 위한 기초 전기화학