이번엔 전기차에 가장 중요한 2차전지에 대해 이야기 하려 합니다.
2차 전지 관련해서는 한번에 여러분께 설명하기가 어려워 여러 편으로 나눠 소개 하고자 합니다.
이번 시간엔 2차전지의 기초용어 및 구성요소에 대하여 알아보겠습니다.
2차전지 기초용어
2차 전지를 알기 위해 먼저 알아야 될 사항인 중요 핵심 용어를 정리하였습니다.
아래 기본 용어를 알아야만 이후 다루게 될 2차 전지의 개발 방향과 산업에 대해서 이해하는데 도움이 될 것입니다.
1차 전지와 2차 전지
1차 전지
방전한 뒤 충전으로 본래의 상태로 되돌릴 수 없는 비 가역적 화학반응을 하는 전지입니다.
대표적 1차 전지에는 망간 건전지가 있으며 최근에는 알카라인 전지가 많이 쓰입니다.
보통 1.5V 정도의 전압을 내지만, 수십 V의 전압에 이르는 것도 있습니다.
2. 2차 전지
2차 전지는 전기 에너지를 축적하고 나중에 사용할 수 있는 재충전 가능한 배터리 또는 축전지로 정의합니다.
대표적으로 차량 시동 용으로 사용되는 납 축전지, 지금은 저 용량에 중금속에 의한 환경 문제 때문에 잘 사용 안하는 니켈 충전지,
현재 가장 많이 사용되는 리튬 이온 전지가 있습니다.
전하 (Charge)
전하는 전자의 기본적인 속성 중 하나로, 전자가 가지는 양을 나타냅니다. 전하는 양이 양수이면 양의 전하, 음수이면 음의 전하라고 합니다.
전하의 기본 단위는 쿨롱(Coulomb, C)이며, 하나의 전자는 약 1.602 x 10^-19 쿨롱의 전하를 가지고 있습니다.
전류 (Current)
전류는 전하의 흐름을 나타냅니다. 즉, 전하가 시간당 특정한 지점을 통과하는 양입니다.
전류는 암페어(Ampere, A) 단위로 측정되며, 1암페어는 1 쿨롱의 전하가 1초 동안 흐르는 것을 나타냅니다.
전류는 전기 회로에서 전원과 부하 사이를 흐르는 전자의 흐름으로 생각할 수 있습니다.
전압 (Voltage)
전압은 전자를 이동시키는 힘 또는 전기 퍼텐셜의 차이를 나타냅니다.
두 지점 간의 전압 차이는 전기 회로에서 전류를 발생시키는 동력을 제공합니다.
전압은 볼트(Volt, V) 단위로 측정되며, 1 볼트는 1 쿨롱의 전하를 1 줄의 전위차로 이동시키는 데 필요한 에너지를 나타냅니다.
전력 (Power)
전력은 시간당 에너지 변화율을 나타냅니다. 즉, 일정한 시간 동안 전기 에너지가 얼마나 변하는지를 나타내는 것입니다.
전력은 와트(Watt, W) 단위로 측정되며, 전력은 전압과 전류의 곱으로 계산됩니다. 수식으로는 다음과 같습니다
전력 (W) = 전압 (V) × 전류 (A)
전력은 전기 장치의 작동을 나타내며, 전구, 전자기기, 전동 기기 등에서 사용되는 전력을 표현합니다.
SoC (State of Charge)
SoC는 ‘State of Charge’의 약자로, 말 그대로 ‘충전 상태’를 의미하는 배터리 용어입니다.
일상 속에서 수많은 전자기기들을 사용할 때, 우리가 빼놓지 않고 항상 체크하는 것이 있죠? 바로 배터리의 충전 상태인데요.
우리에게 전자기기의 배터리가 몇 퍼센트가 남아있는지, 배터리의 잔존용량을 나타낸 지표를 바로 ‘SoC(State of Charge)’라고 합니다.
배터리의 잔존 용량을 나타내기 위해 현재 사용할 수 있는 배터리 용량을 전체 용량으로 나누어 백분율(%)로 표현합니다.
출처 : https://inside.lgensol.com
방전심도(Depth of Discharge, DOD)
DoD란 Depth of Discharge의 약어로 배터리의 방전 상태를 나타냅니다. 배터리의 완충 상태를 기준으로 지금 몇 % 방전되었는지 알 수 있는 지표인데요.
반대로 배터리가 현재 얼마나 충전돼 있는지 알려주는 지표로는 위에서 설명한 SoC(State of Charge)가 있습니다.
예를 들어, DoD 100%인 배터리는 현재 사용할 수 있는 용량, 즉 SoC가 0%란 뜻입니다. 만약 DoD가 30%라면 앞으로 사용할 수 있는 배터리 용량은 70% 남았음을 뜻합니다.
SoH(State of Health)
모든 제품에는 유효기간과 수명이 있듯, 배터리에도 당연히 정해진 수명이 있습니다. 배터리의 잔존 수명이자 현재 성능 상태를 알려주는 지표가 바로 SoH입니다.
삼원계 배터리
리튬이온배터리는 리튬 이온이 양극재와 음극재 사이를 이동하는 화학적 반응을 통해 전기를 만들어냅니다.
양극 소재로 사용되는 리튬은 단독으로 사용하기엔 불안정한 특성이 있기 때문에 다른 금속 원소들과 결합한 형태인 ‘리튬금속산화물(LiMO2)’로 존재하게 되는데요.
양극재로 주로 쓰이는 ‘리튬코발트산화물(LCO)’을 기본으로 니켈과 다른 원소가 더해져, 양극재에 총 세 가지 원소가 들어가는 배터리를 ‘삼원계 배터리’라고 부릅니다.
출처 : https://inside.lgensol.com
양극 (Cathode)와 음극 (Anode)
리튬 이온 배터리의 양쪽 끝 부분을 가리키는 용어로, 양극은 양극재(양극 소재)를 포함하고 음극은 음극재(음극 소재)를 포함합니다. 양극과 음극 간에 리튬 이온들이 이동하여 전기 에너지를 생성하거나 저장합니다.
정격 용량 (Rated Capacity)
배터리의 정격 용량은 배터리가 공급할 수 있는 최대 전력을 나타냅니다. 이 값은 주로 암페어-시 (Ah) 또는 밀리암페어-시 (mAh) 단위로 표시됩니다.
배터리 관리 시스템 (Battery Management System, BMS)
BMS는 배터리의 충전 상태, 방전 상태, 온도 등을 모니터링하고 제어하는 시스템입니다. BMS는 배터리의 안전성과 성능을 유지하는 데 중요한 역할을 합니다.
2차전지의 주요 구성 요소
2차 전지는 주로 ①양극재, ②음극재, ③전해질, ④분리막 으로 구성으로 되어 있습니다.
4가지의 구성 요소가 2차 전지 생산원가에서 78%를 차지 하고 있으며, 세부 비율은 아래와 같습니다.
각각의 구성 요소는 다음과 같은 활동을 통해 2차 전지는 충/방전을 합니다.
출처 : https://gscaltexmediahub.com
이 4가지의 구성요소에 대해 좀 더 세부적으로 알아보도록 하겠습니다.
양극재 (Cathode Material)
양극재는 2차전지의 양극(Positive Electrode)에 위치한 물질로서, 일반적으로 리튬 2차전지의 경우 산화 리튬(LiCoO2), 산화 철(LiFePO4) 등의 화학 물질이 사용됩니다.
양극재는 충전 상태에서 리튬 이온을 수용하고 방전 상태에서 방출하여 전지의 전력을 생성합니다.
결과적으로 양극재의 리튬 비중에 따라 2차전지의 용량을 결정 되며, 전압은 양극의 전위차에 의해 결정되므로 구조에 따라 달라지게 됩니다.
양극재의 차이가 충전할 수 있는 용량에 영향을 미치기 때문에 2차 전지에서 매우 중요합니다.
음극재 (Anode Material)
음극재는 2차전지의 음극(Negative Electrode)에 위치한 물질로서, 리튬 2차전지의 경우 탄소(Carbon)나 그래핀(Graphene) 등이 일반적으로 사용됩니다.
음극재는 충전 상태에서 리튬 이온을 방출하고 방전 상태에서 리튬 이온을 흡수하여 전지의 전력을 생성합니다.
따라서 원활한 이온 전도율, 리튬 이온의 저장율, LIFE TIME, 구조적 안정성, 낮은 화학 반응성, 가격 경쟁력이 중요합니다.
음극재 또한 양극재와 마찬가지로 전압에 영향을 미치기 때문에 중요합니다.
전해질 (Electrolyte)
전해질은 2차전지 내에서 양극과 음극 사이에 위치한 전기적으로 전도성 있는 물질입니다.
리튬 2차전지에서는 일반적으로 리튬 염을 포함하는 유체 전해질이 사용됩니다.
전해질은 리튬 이온을 양극과 음극 사이로 전달하는 역할을 하며, 충전 및 방전 과정에서 리튬 이온의 이동을 용이하게 합니다.
분리막 (Separator)
분리막은 2차전지 내의 양극과 음극을 물리적으로 분리하는 역할을 합니다.
일반적으로 폴리프로필렌 또는 폴리에틸렌으로 만들어진 다공성 막으로 제작됩니다.
분리막은 전기가 양극과 음극 사이로 흐르는 것을 허용하면서, 두 극 사이의 전기단락을 방지하여 전지의 안전성을 유지합니다.
오늘은 2차 전지의 기초로써 기본 용어와 주요 구성 요소에 대해서 설명해 드렸습니다.
다음 시간 부터는 현재 사용되고 있는 2차 전지의 종류와 특징, 그리고 향후 2차 전지 산업의 미래에 대해 말씀드리도록 하겠습니다.
감사합니다.