이번 시간에는 2차전지의 종류 및 특징에 대해서 알아보겠습니다.
현재 가장 많이 쓰이는 2 전지는 리튬이온전지이며, 양극재에 따라 또 나뉩니다.
이에 따른 종류와 특징에 대해서도 장점과 단점 비교하여 알려드리겠습니다.
2편까지는 기본 개념을 이해 되실 수 있도록 준비 하였습니다.
2차전지의 종류 및 특징
2차 전지는 1편에서 간략히 설명해 드렸지만, 소재에 따라 ①리튬이온배터리, ②니켈카드뮴배터리, ③니켈수소배터리, ④납산화물배터리(납축전지), ⑤나트륨황배터리로 나뉩니다.
5가지 2차전지에 대해 특징을 장점과 단점으로 나누고 이에 따라 현재 어디에 사용되고 있는지 아래 표로 설명해 드리겠습니다.
상기 표와 같이 현재는 가장 많이 사용되고 있는 2차 전지는 리튬이온배터리와 자동차 시동 전원에 사용되는 납 산화물로 이루어진 납축 전지입니다.
여기서 앞으로 중점적으로 설명 드릴 2차전지는 리튬 이온 배터리입니다.
이유는 현재 에너지 밀도가 가장 높아서 가볍게 제작이 가능하고, 전기 자동차에 사용되는 배터리로써 2차전지 산업의 기술 대부분이 리튬 이온 배터리이기 때문입니다.
리튬 이온(Li-ion) 배터리
현재 배터리의 주류로 자리 잡고 있는 리튬이온배터리. 1. 과연 어떤 구조와 원리로 작동하는 건지, 2. 종류 및 특징에 대하여 설명하도록 하겠습니다.
구조와 동작 원리
출처 : https://inside.lgensol.com
리튬 이온 배터리는 리튬 이온이 양극재와 음극재 사이를 이동하는 화학적 반응을 통해 전기를 생산합니다.
양극의 리튬 이온이 음극으로 이동하며 배터리가 충전되고 음극의 리튬 이온이 양극으로 돌아가며 에너지를 방출, 방전되는 것이죠.
이때 양극과 음극 사이에서 리튬 이온의 이동 통로 역할을 해주는 전해질과 양극과 음극이 서로 닿지 않게 해주는 분리막이 필요합니다.
만약에 분리막이 파괴되어 양극과 음극이 서로 닿게 되면 온도 상승에 따른 폭발의 위험성이 있습니다. 따라서 리튬 이온 배터리의 소재 중 안전 보호 역활을 하는 것은 분리막이라고 생각하시면 됩니다.
일반적으로 리튬 이온 배터리의 4가지 구성 요소라고 하면 이 양극재, 음극재, 전해질, 분리막을 말합니다. 참고로 4가지 구성 요소에 대해서는 1편을 참조 하시기 바랍니다.
종류와 특징
리튬 이온 배터리는 일반적으로 양극재에 따라 종류가 달라집니다.
양극재는 리튬 이온 배터리의 리튬의 공급원으로써, 전지 충전 방전 시 양극재의 결정격자로부터 리튬을 방출 또는 흡수합니다.
따라서 리튬을 많이 포함한 양극재를 사용할수록 용량이 커지게 됩니다. 참고로 음극재와 양극재의 전위차가 크면 전압이 커집니다.
배터리가 저장할 수 있는 에너지 양은 배터리의 용량에 전압을 곱한 것인데, 양극재가 바로 배터리의 성능을 좌우할 용량과 전압을 결정하는 핵심 소재 입니다.
양극재는 양극 활물질이라는 것으로 구성되어 있습니다. 이 양극활물질은 주로 4가지가 사용되는 금속 원소의 특성은 아래와 같습니다.
출처 : https://inside.lgensol.com
상기 원소를 어떤 비율로 조합하느냐에 따라서 양극재의 ①용량, ②에너지 밀도, ③안정성, ④수명, ⑤가격경쟁력이 달라집니다.
조합에 따른 양극재 종류는 보통 5가지로 ①NCA(LiNiCoAlO2), ②NCM(LiNiCoMn), ③LMO(LiMn2O4), ④LCO(LiCoO2), ⑤LFP(LiFePO4) 배터리로 나뉘게 됩니다.
각각의 종류와 특징에 대해서 말씀드리겠습니다.
현재 전기차에는 고가형에는 NCA, NCM 배터리, 저가형에는 LFP가 주력으로 사용되고 있습니다.
이는 에너지 밀도에 따른 전기차의 주행 거리에 관련이 있으며, 앞으로의 2차전지 산업의 발전 방향을 유추 할 수 있습니다.
NCA, NCM 배터리의 경우 1순위 안정성과 2순위 에너지 밀도의 증가되는 방향으로 연구 개발이 지속적으로 진행될 것이며, 반대로 LFP 배터리는 에너지 밀도의 증가를 최우선적인 연구 개발을 하게 될 것입니다.
참고로 아래 그래프는 년도별 에너지 밀도의 변화입니다.
보시는 것과 같이 매년 에너지 밀도는 증가 하고 있습니다.
이는 양극재의 기술 개발에 따른 에너지 밀도라고 생각하시면 됩니다.
이번 시간에는 2차전지의 종류 및 특징과 2차전지 중 가장 많이 사용되는 리튬이온배터리의 종류 및 특징에 대해서 알아 보았고, 간략히 2차전지 산업 발전의 방향을 설명 드렸습니다.
다음 시간부터는 본격적으로 현재 어떤 기술 개발이 이뤄지고 있으며, 각 2차전지 제조사의 개발 경과 및 향후 목표에 대한 부분을 집중적으로 다뤄 보도록 하겠습니다. 감사합니다.