전기차 배터리 리튬이온전지의 구조와 4대소재

 리튬이온전지는 소형 크기의 건전지, 에어팟, 모바일폰에서부터 중대형 크기의 전기차 및 전력저장장치 ESS 까지 우리 주변에 널리 사용되는 장치이다. 이번 포스팅에서는 구조를 살펴보고 어떤 소재들을 사용하는지 알아보자.

리튬이온전지의 구조

리튬이온전지는충전과 방전의 반복적으로 가능한 2차전지이다. 전지 내부의 전극과 전해질간의 화학반응인 산화-환원반응을 통해 전기에너지로 전환되는 메커니즘을 갖고 있다.

리튬이온전지의 구성

리튬이온전지는 양극재, 음극재, 분리막, 전해액의 4가지 소재로 이루어져있다. 각각의 소재들이 조립되어 화학적반응을 통해 전기에너지를 저장 및 사용할 수 있는 특징이 있다. 

양극(Cathode) (+)

양극는 전극으로, 리튬이온전지에 2가지 전극이 존재하는데 상대적으로 전위가 높은전극을 양극이라한다. 양극재는 LCO, NCM, LFP, NMO 등 리튬과 전이금속 산화물 형태로 존재하는데, 이 전이금속 화합물에 리튬이온이 저장되어 있다. 또한 구성하는 전이금속산화물에 따라 각각의 구조가 달라 양극의 용량이나 구조적 안정성이 다른 특징을 갖고 있다.

음극(Anode) (-)

음극은 양극보다 상대적으로 낮은 전위를 갖는 전극이다. 양극에 리튬이온이 저장되어 있다고 했는데, 충전과정에서 음극의 상대적으로 낮은 전위로 인해 양극의 리튬이온이 이동하여 음극 내부에 저장된다. 반대로 방전과정에서는 자발적인 반응이 일어나 저장된 리튬이온이 양극으로 이동시킨다. 대표적인 상용 음극재로서 천연흑연, 인조흑연(Graphite)이 있다. 

분리막(Separator)

분리막은 양극과 음극 사이에 위치해 있는 고분자물질이다. 양극과 음극이 접촉하게 되면 쇼트(short circuit) 현상이 발생하게 되는 문제를 방지하는 역할을 한다. 쇼트가 발생하게 되면 대전류가 흘러 화재가 발생할 수 있으므로 전지의 안정성에 가장 중요한 소재 중 하나라 할 수 있다. 필름 형태로 구성되어 있고, 전기가 통하지 않아야 하기 때문에 절연체로 되어 있다. 대표적으로 (Polypropylene, Polyethylene) 고분자물질을 주로 사용한다.

전해액(Electrolyte)

전해액은 리튬이온전지가 충전과 방전을 하는 동안 리튬이온이 이동할 수 있는 이동통로 역할을 하는 물질이다. 액체로 구성된 전해액에는 리튬염, 용매, 첨가제로 구성되어 있다. 리튬염으로는 (LiPF6, LiFSI, LiTFSI, LiBF4)등 다양한 물질이 있으며 용매는 주로 카보네이트 계열 유기용매를 사용한다. 첨가제(LiBOB, LiPO2F2, FEC, VC, VEC)는 소량 들어가는데 전지의 목적(고온수명, 저저항, 저온특성)에 맞게 적용되는 특징을 갖는다.