4차 산업혁명은 모든 사물이 항상 연결된 상태를 의미합니다. 항상 연결된 상태를 유지하기 위해서는 이동성을 유지할 수 있어야 합니다. 소형 배터리는 디바이스에 이동성을 부여하여 4차 산업혁명의 핵심 요소가 되었습니다. 이것은 모바일 라이프를 가능하게 하여 우리의 삶을 편리하게 만들어가고 있습니다. 소형 배터리를 넘어 중·대형 배터리 또한 각광받고 있습니다. 중·대형 배터리는 화석 연료를 대체하여 그린에너지의 역할을 할 것입니다. 이것은 온실가스를 줄여 우리의 삶을 쾌적하게 만들 것입니다.
이러한 역할의 중심에는 '리튬이온 배터리'가 있습니다. 이 모든것을 가능하게 하는 배터리의 구조를 지금부터 알아보도록 하겠습니다.
배터리 4대 구성요소 : 양극, 음극, 분리막, 전해액
1. 양극
양극은 리튬(Li)과 산소(O)가 만난 리튬산화물(Li+O)로 구성됩니다. 충전 시에는 양극을 이루는 물질 중에서 리튬이온만 쏙 빠져 나와 음극으로 옮겨 갑니다. 반대로 방전할 때는 리튬이온이 원래 살고 있었던 집인 양극으로 돌아가고, 이 때 전기가 발생합니다. 이 전기가 음극으로 이동하면 충전이 시작됩니다.
리튬산화물처럼 양극에서 배터리 전극 반응에 관여하는 물질을 '활물질'이라고 합니다. 리튬이온 배터리의 양극에서는 리튬산화물이 활물질로 사용되는 것을 의미합니다. 어떤 양극 활물질을 사용했느냐에 따라 저장되는 전자(e-)의 수가 달라지면서 배터리의 용량과 전압이 결정됩니다.
양극 활물질은 대표적으로 리튬(Li), 니켈(Ni), 망간(Mn), 코발트(Co), 알루미늄(Ai)이 사용됩니다. 이 금속의 조합 비율에 따라 다른 특성을 가지게 됩니다. 최근 양극 소재는 NCM, NCA, NCMA, LMO 등 다양한 조합으로 사용되고 있습니다.
2. 음극
음극은 천연흑연을 기본으로 씁니다. 연필에 사용되는 흑연입니다. 흑연은 마치 종이가 겹쳐 있는 것과 같은 구조를 이루고 있는데, 이를 층상구조라고 합니다. 양극에서 빠져 나온 리튬이온이 이러한 층상구조 사이에 들어갑니다.
최근 흑연을 실리콘으로 대체하는 연구가 활발히 진행되고 있습니다. 이 작성글을 보시면 실리콘으로 대체하는 이유가 나와있습니다. https://greatluckim.tistory.com/4
3. 분리막
양극과 음극은 만나면 폭발하는 성질이 있습니다. 사용에 불안함을 가지고 있었던 이유가 이것 때문이죠. 분리막은 양극과 음극이 서로 섞이지 않도록 물리적으로 막아주는 역할을 담당하고 있습니다. 또한 분리막에는 미세한 구멍이 있어 리튬이온이 양극과 음극을 오갈 수 있게 합니다.
현재 상용화된 분리막으로는 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP)와 같은 합성수지를 사용하고 있습니다.
4. 전해액
전해액은 양극과 음극 사이에서 리튬 이온을 이동할 수 있도록 하는 매개체입니다. 리튬이온의 원활한 이동을 돕는 역할을 합니다. 전해액의 종류에 따라 리튬이온의 움직임이 둔해지기도, 빨라지기도 합니다. 그래서 전해액은 까다로운 조건들을 만족해야 사용할 수 있습니다.
지금까지 리튬이온 배터리의 4대 요소에 대한 설명이었습니다. 감사합니다.
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