미래 친환경 에너지로 떠오른 2차 전지란? [우리가 몰랐던 과학 이야기] (231)

노트북과 휴대폰은 배터리가 방전되면 다시 충전해서 이용할 수 있습니다. 재충전할 수 있는 2차 전지를 사용하는 덕분인데요. 2차 전지는 휴대용 전자기기뿐만 아니라 전기 자동차의 주요 에너지원으로 쓰이기도 합니다.

전기차에 활용되는 2차 전지는 온실 가스 주범인 탄소 배출을 억제할 수 있어 친환경 에너지로 각광받고 있습니다. 오늘은 2차 전지의 원리와 함께, 주요 소재에 대해 살펴보겠습니다.

◆다시 충전해 쓰는 2차 전지란?

출처=https://ta-netzsch.com

2차 전지란 방전된 뒤에도 다시 충전해 반복 사용할 수 있는 배터리를 의미합니다. 보통 우리가 한번 쓰고 버리는 건전지가 1차 전지입니다. 2차 전지는 충전 물질에 따라 종류가 다양하지만, 대부분 리튬이온배터리가 주를 이루고 있습니다.

리튬 2차 전지는 우수한 성능으로 노트북과 스마트폰, 디지털 카메라 등 휴대용 전자제품과 전기차의 에너지원으로 사용되고 있습니다.

◆2차 전지의 4대 구성 요소

출처=mdpi.com

2차 전지는 양극재와 음극재, 분리막, 전해질로 구성됩니다.

각각의 특징을 살펴보면 아래와 같습니다.

(1)양극(Cathode): 배터리의 용량과 평균 전압을 결정하며, 소재로는 LCO(리튬·코발트·옥사이드)와 NCM(니켈·코발트·망간), NCA(니켈·코발트·알루미늄), LMO(리튬·망간·옥사이드), LFP(리튬·인산·철) 등이 있다.

(2)음극(Anode): 양극에서 나오는 리튬이온의 흡수와 방출을 통해 전류를 흐르게 하며, 전지의 충전 속도와 수명을 결정한다.

(3)전해액(Electrolyte): 리튬이온을 전달하는 매개체로, 이온이 원활하게 이동하도록 하는 매개체 역할을 한다.

전해질염과 유기용매, 첨가제로 구성된다.

(4)분리막(Separator): 양극과 음극의 직접적인 물리적 접촉을 방지하는 역할을 하며, 주요 소재로 다공성 폴리에틸렌(PE) 및 폴리프로필렌(PP)이 쓰인다.

◆2차 전지의 원리

출처=https://aip.scitation.org

2차 전지는 전기 화학적 산화·환원 반응에 의해 발생하는 이온의 이동으로 전기를 발생시키고, 그 반대 과정으로 충전되는 원리입니다. 이온의 물질 상태가 양극과 음극에서 다를 때 발생하는 에너지 차이를 활용한 전압차를 이용하는 것입니다.

리튬이온 전지에서는 양극에 있던 리튬이온이 빠져 나와 전해질을 통해 음극으로 이동하면서 충전이 이뤄지고, 다시 양극으로 이동하면 방전이 이뤄집니다.

◆2차 전지 분리막의 역할

출처=batterypowertips.com

분리막은 앞서 설명하였듯이 2차 전지를 구성하는 주요 4대 요소 중 하나로, 양극과 음극을 격리시켜 물리적 접촉에 의한 단락(합선)을 차단하는 역할을 합니다. 이온이 두 전극 사이를 이동해야 하므로 미세한 구멍이 있는 다공성 필름으로 구성되며, 주로 폴리에틸렌(PE) 또는 폴리프로필렌(PP) 소재가 이용됩니다.

제조 방식에 따라 습식법(wet process)과 건식법(dry process)으로 나뉘는데, 습식법은 고분자 소재인 폴리에틸렌과 저분자량 오일을 혼합한 뒤 용매를 활용해 다공 구조의 분리막 필름을 제조하는 방식입니다.

건식법은 오일과 용매를 쓰지 않고, PE 및 PP 시트를 접합한 뒤 연신 및 열처리 등의 기계적 공정 만으로 제조하는 방식입니다.

◆분리막 소재, PE와 PP

리튬이온 배터리 분리막의 이미지. 출처=Treofan.com

분리막은 전기화학적으로 안정적이면서도 절연성이 뛰어나고, 높은 열에 노출되었을 때도 안전성을 잃지 않아야 하기 때문에 내열성이 좋아야 합니다.

또한 전지 저항을 최소화하기 위해 두께가 얇으면서도 내부 압력을 견딜 수 있도록 기계적 강도도 우수해야 합니다. 이를 위해 폴리에틸렌과 폴리프로필렌이 2차 전지의 분리막 소재로 사용되고 있습니다.

◆2차 전지와 친환경 전기차

2차 전지가 최근 더욱 핫하게 떠오르고 있는 이유는 바로 전기차 때문입니다.

전기차는 지구 온난화를 방지하기 위한 전 세계적인 탈탄소 정책에 힘입어 그 활용 비중이 점점 높아지고 있습니다. 2차 전지인 리튬이온 배터리는 전기 차의 핵심 에너지원으로, 배터리 분리막 소재로 이용되고 있는 PE는 한화솔루션이 생산하고 있는 주요 제품이기도 합니다.

첨단 휴대용 전자기기와 전기차 배터리의 기초 원료로 활용되어 편리한 생활과 탈탄소를 위한 친환경 에너지원으로 기여하고 있는 PE의 활약을 계속 지켜봐 주세요!

한화솔루션 블로거

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