전기차 리튬이온 배터리 원리 및 배터리 구성 요소

전기차 리튬이온 배터리 원리 및 배터리 구성 요소

요즈음 전기차에 대한 포스팅을 많이 올리고 있습니다.

많은 사람들이 전기차에 대한 관심이 점점 많아지고 있고, 저도 역시 그 중 한명으로서 여러 가지 전기차에 대한 궁금한 점이나 이슈들을 알아보고 있습니다.

오늘은 전기차 배터리의 원리에 대해 알아보겠습니다.

사실 전기차의 제목으로 포스팅을 하고 있지만 전기차에 한정된 내용은 아닙니다.

전기차 이전에 많은 휴대용 기기들에 많이 사용되고 있는 배터리가 리튬이온 배터리이기 때문입니다.

리튬이온 배터리의 발전이 현재 많이 사용하고 있는 무선기기들 발전에도 많은 영향을 미쳤고 현재는 용량이 큰 전기차 발전에서도 큰 영향을 미치고 있습니다.

전기차는 다른 배터리에 비해 가볍고 높은 에너지 밀도이며 고용량, 고효율이 구현 가능한 리튬이온 배터리를 많이 사용하고 있습니다.

앞서 포스팅한 전기차 배터리 무게에 대한 글에서 알 수 있듯이 전기차는 현재보다 더 긴 주행거리가 필요하기 때문에 더 가볍고 작고 에너지 저장 용량이 큰 배터리가 필요합니다. 즉 고효율, 고밀도 배터리가 필요한 것 입니다.

이렇게 현재 휴대용 기기 및 전기차에 주로 사용되고 있는 리튬이온 배터리에 대한 원리를 알아보겠습니다

먼저 배터리를 구성하는 구성 요소에 대해 알아보겠습니다.

리튬이온 배터리는 4대 구성요소라 불리는 양극, 음극, 전해액, 분리막으로 구성됩니다.

( 그림 출처 : 삼성SDI )

양극은 리튬(Li)과 산소(O)가 만나 이루어진 산화물(Li + O)로 구성됩니다.

리튬산화물처럼 양극에서 배터리의 전극 반응에 관여하는 물질을 '활물질' 이라고 합니다.

이러한 양극활물질을 적용하는가에 따라 배터리의 용량과 전압이 결정된다고 합니다.

양극에 사용되는 물질은 여러가지 물질이 있습니다.

배터리 관련 기사를 보다 보면 NCM, NCA, LCO, LFP 등의 접하기 힘든 약어들이 등장합니다.

이 약어들은 양극재를 나타내는데요 양극을 이루는 물질의 이름을 조합하여 부르는 것 입니다.

NCM은 니켈, 코발트, 망간으로 이루어진 소재입니다. NCA는 니켈, 코발트, 알루미늄입니다.

NCO는 리튬, 코발트 산화물 , LFP는 리튬인산철 입니다.

앞서 말한것 처럼 양극활물질에 따라 용량, 전압 등이 결정 되기 때문에 다양한 물질과 조합으로 배터리의 특성을 만들어 낼 수 있습니다.

니켈의 경우 에너지 밀도를 높게 가져갈 수 있습니다. 따라서 NCM, NCA 들은 고용량, 저중량 등 고밀도 배터리를 만들 수 있는 장점이 있습니다.

LCO도 에너지 밀도가 높고 안정성도 좋지만 코발트 사용량이 많은 것이 단점입니다. 

가격 등에 문제도 있지만 채굴과정에 대한 문제도 있어 코발트 사용량을 늘리지 않는 것이 추세입니다.

LFP는 중국에서 주로 개발하는 타입의 배터리입니다. 에너지 밀도가 낮은 단점이 있지만 안정성이 우수하다고 알려져 있습니다.

음극은 전자를 도선으로 보내는 역할을 합니다.

양극에서 나온 리튬이온을 저장했다가 방출하면서 외부회로를 통해 전류를 흐르게 합니다.

배터리가 충전상태일 때, 리튬이온은 양극이 아닌 음극에 존재합니다.

배터리 방전 과정에서 리튬이온이 음극에서 양극으로 이동하고, 충전시에는 양극에서 음극올 다시 이동하여 제자리를 찾게 됩니다.

이 때 도선이 연결되면 리튬이온은 전해액을 통해 양극으로 이동하게 되고 리튬이온과 분리된 전자는 도선을 따라 전기를 발생시킨다고 합니다.

음극에서는 흑연을 사용한다고 합니다. 

흑연은 층상 구조를 가지고 있어 구조적 안정성을 가지고 있습니다.

또한 이러한 구조가 리튬이 이온을 많이 저장할 수 있어 사용된다고 하네요.

전해액은 양극과 음극 사이에 통로처럼 위치해있습니다.

리튬이온의 화학반응이 일어나 전기를 발생시키는 전자가 이동하는 통로를 제공합니다. 

리튬이온과 전자들이 이동하는 통로가 되는 것 입니다.

그렇기 때문에 전해액은 이러한 산화반응의 결과물들이 잘 통과 할 수 있는 물질이어야 합니다.

마지막으로 양극과 음극 사이에 벽처럼 세워져 있습니다.

분리막은 양극과 음극이 서로 물리적으로 분리가 될 수 있도록 막아주는 역할을 합니다.

간단하게 배터리의 원리에 대해 알아 보았습니다.

전기차 및 전기차 배터리에 대한 관심이 많아지고 있습니다.

다음에도 전기차의 각 부품들의 원리가 어떤지 알아보면 좋을 것 같습니다.

(설명 참조 : 삼성SDI)