2차 전지 종류, 소재, 특징 등 차세대 배터리 살펴보기

2차 전지가 산업과 생활 곳곳에 쓰이고 있습니다. 전기자동차 등의 보급으로 그 쓰임새가 더욱 커지고 있는데요. 2차 전지에 대한 관심이 높아지고는 있지만 아직까지 정확한 개념을 모르는 분들이 많습니다. 2차 전지 종류와 소재 및 특징 등 차세대 배터리로 불리는 2차 전지에 대해 살펴보도록 하겠습니다.

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2차 전지란

 

 

개념

 

2차 전지란 충전 및 방전이 가능한 셀로 구성된 배터리를 말합니다. 다양한 크기와 모양으로 생산이 가능하며 사용되는 소재도 다양합니다. 2차 전지는 초기 생산비용이 많이 들지만 여러번 충전하여 사용할 수 있어 비용과 환경 오염 등의 측면에서 장점이 큽니다. 단점은 무게가 상당히 무겁다는 것입니다. 요즘들어 탄소중립이 전세계적 이슈로 떠오르면서 자동차, 전기 자전거, 전동 지게차 등 모빌리티 분야에서 많이 사용되고 있습니다. 2차 전지의 기술이 더 발달한다면 선박이나 항공기까지 사용 가능 할 것입니다.

 

 

원리

 배터리가 충전되면 양극에서 리튬이온이 이동해 음극으로 이동하고 방전시에는 음극의 리튬이온이 다시 양극으로 돌아갑니다. 이러한 원리를 이용해 2차 전지를 작동시키고 있습니다.

1차 전지와의 차이

쉽게 말하면 1차 전지란 우리가 흔히 쓰는 건전지를 말합니다. 건전지는 다 사용하면 충전하지않고 버리지만 2차 전지는 방전되면 버리지않고 다시 충전하여 사용가능하다는 차이점이 있습니다.

2차전지 종류 및 원리

 

 

 

2차전지는 크게 리튬이온 배터리와 전고체 배터리로 분류됩니다. 

리튬이온 배터리 

 

리튬이온 배터리는 양극재와 음극재, 분리막, 전해액으로 구성됩니다. 양극재는 배터리의 + 극을 만드는 소재입니다. 리튬이온 소스로 배터리의 용량과 평균 전압을 결정합니다. 양극재 소재로 LCO(리튬, 코발트, 옥사이드), NCM(니켈, 코발트, 망간), NCA(니켈, 코발트, 알루미늄)이 많이 쓰입니다. 어떤 양극 물질을 사용했는지에 따라 배터리의 용량과 전압이 결정되므로 상당히 중요한 비중을 차지하며 원가의 약 40% 가까이를 차지하고 있습니다. 이러한 방식을 삼원계 배터리라고도 부르는데 양극재에 리튬 코발트 산화물(LCO)을 기본으로 나켈과 다른 금속들을 추가해 총 세가지의 금속 원소가 들어간 배터리를 의미합니다. 양극재의 중요도가 높아지는 만큼 원가 절감을 위한 양극재 기술 개발이 활발하게 진행되고 있습니다. 

 

음극재는 양극에서 나온 리튬이온 저장 및방출하여 외부회로를 통해 전류를 흐르게 하는 역할을 합니다. 흑연 등의 탄소물질을 많이 사용하며 최근 실리콘을 활용한 음극재도 개발되고 있습니다.

 

 

 

 

분리막은 양극재와 음극재가 직접적으로 접촉하지 않도록 분리하는 절연막입니다. 음극재와 양극재가 닿을 경우 폭발이나 화재의 위험성이 있습니다. 따라서 직접적인 접촉을 방지하면서도 미세한 기공을 통해 리튬 이온의 이동이 원활하게 이루어질 수 있도록 만드는 기술이 상당히 중요합니다. 분리막으로 활용되기 위해서는 안정적이고 절연성이 뛰어나야 합니다. 또한 강도가 높고 두께가 얇아야만 합니다. 분리막 소재로는 폴리올레핀, 폴리프로필렌 등과 같은 고분자 소재가 사용되고 있습니다.

 

전해액은 양극과 음극 사이에 리튬이온의 이동을 가능하게 하는 물질입니다. 전해액은 리튬염과 유기용매, 첨가제로 구성됩니다. 리튬염 리튬이온의 이동통로 역할입니다. LiPF6(리튬, 인산, 불소) 로 구성됩니다. 

유기용매는 리튬염을 용해시켜 주는 역할을 합니다. 첨가제는 양극과 음극 표면에 보호막을 형성하는 역할로서 수명개선, 저항감소 등의 효과가 있습니다. 

전고체 배터리

전고체 배터리는 리튬이온 배터리와 상당부분 흡사하지만 가장 큰 차이점은 액체 전해액이 아닌 고체의 전해질을 사용한다는 것으로서 발열이나 폭발의 위험이 상대적으로 적고 수명이 길다는 장점이 있습니다. 하지만 상대적으로 효율이 낮다는 단점이 있습니다, 

 

2차전지 동향

국내 업체들은 대부분 삼원계 배터리를 생산하고 있습니다. 삼원계 이외에도 LFP라는 리튬, 인산, 철로 구성된 배터리 종류가 있는데 기존 삼원계 배디 발열 위험이 적고 가격도 30% 가량 저렴합니다. 단점으로는 에너지 효율이 낮고 부피가 크다는 점이 있습니다. 최근 LFP 방식은 비 선호 되는 기술이었고 중국 업체인 CATL, BYD 가 주력으로 생산하고 있는 상황이었습니다. 그런데 글로벌 전기차들이 최근 LFP 탑재를 선언하면서 NCM 등 삼원계 배터리에 주력하고 있는 국내 기업들이 당혹스러워 하고 있는 상황입니다.