리튬이온배터리 (Lithium Ion Battery)에 대해 알아 봅시다.

안녕하세요.

 

1980년대 후반부터 지금까지 반도체 (semiconductor)가 산업을 이끌었다고 해도 틀린말이 아닐 것 입니다.

그럼 반도체 이후는 어떤 산업이 주도적으로 세상을 이끌어 나갈까요?

많은 학자들은 리튬이온배터리 (lithium ion battery)라고 합니다.

앞으로 주요 산업이 될 리튬이온배터리에 대해서 잘 알아둔다면, 취업과 이직을 할 때 많이 도움되겠죠?

 

<출처 : TESLA>

 

사실, 리튬이온배터리는 과거부터 많이 사용되어 왔습니다.

충전이 가능한 모바일 제품, 전동 공구, 가전에 리튬이온배터리가 사용되어오고 있습니다.

그런데 왜 반도체 만큼 리튬이온배터리 산업이 커지지 않았을까요?

그 이유는 그 동안 그렇게 많지 않은 생산량이 필요 없었기 때문입니다.

그런데 왜 이제서야 갑자기 리튬이온배터리를 주목할까요?

바로 전기자동차의 발전때문입니다.

 

1. 역사

배터리는 그렇게 긴 역사를 자랑하고 있지 않습니다.

배터리에 대한 최초의 기록은 1800년이니까 지금으로부터 약 200년 전 밖에 되지 않네요.

이 기록은 배터리 쪽에서 굉장히 유명한 이탈리아의 갈바니 (Galvani)가 만들었습니다.

1786년에 갈바니는 개구리 해부 실험을 했는데요, 개구리가 금속과 접촉할 때 떨리는 것을 발견하였습니다.

이 것을 보고 갈바니는 전류가 금속을 통과하여 개구리의 근육에 자극을 준다고 주장하였습니다.

<출처 : Wikipedia>

이 후 볼타 (Volta)는 개구리는 금속 사이의 전류를 통과시켜주는 매개체, 즉 전해질의 역할을 했다고 주장하였고, 1800년에 실제로 금속판 두 개 사이에 알칼리 용액을 놔서 지금의 전지의 형태와 비슷하게 만들어서 전류가 흐르는 것을 증명하였습니다.

우리가 지금 사용하고 있는 전압의 단위인 볼트라는 말은 볼타에서 유래되었습니다.

 

그럼 최초의 상용 배터리는 언제쯤일까요?

1865년 프랑스에서 세계 최초로 1.5V 짜리 배터리를 생산하였습니다.

 

2. 개론

배터리를 이해하기 위해서는 전기화학을 알아야 합니다.

전기화학은 전기도 화학도 아닌 전기화학입니다.

기존의 전기이론, 혹은 화학이론을 가지고 이해하려고 하면 어려우니, 그냥 전기화학이란 또 하나의 이론을 배운다고 생각하시는 것이 속 편하실 겁니다.

위 그림은 배터리의 기본 구조 입니다.

음극 (anode)과 양극 (cathode) 사이에 전해질 (electrode)이 있고, 전해질 사이에는 분리막 (separator)이 있습니다.

그리고 음극과 양극은 폐회로로 연결되어 있습니다.

배터리는 폐회로로 이루어져 있기때문에 충전 (charge)과 방전 (discharge)이 가능합니다.

바방전이 일어나는 동안 음극에서는 전자를 방출하는 산화가 (oxidation, A → A⁺ + e^-) 일어납니다.

우리말로 음극이지만, 영어로 anode라고 표현하는 이유가 바로 음극에서 산화반응이 일어나기 때문입니다.

참고로, 반도체에서는 환원 (reduction)이 일어나는 곳을 음극 (cathode)이라고 합니다.

배터리의 음극에서 산화반응이 일어나므로 전자 (electron, e^-)이 생성되고 이 전자를 우리가 사용하는 것 입니다.

즉, 우리가 배터리를 사용할 때가 방전이 되는 것 입니다.

배터리는 폐회로이기 때문에, 음극에서 생성된 전자는 외부로 나온 후 양극으로 이동합니다.

그래서 양극 (cathode)에서는 환원반응 (B⁺ + e^- → B)이 일어납니다.

전해질은 음극과 양극 사이로 전자가 움직일 때, 이온이 움직이는 매개체 역할을 합니다.

분리막은 이온만 움직일 수 있게 가로 막아주는 역할을 합니다.

만약, 아무리 음극과 양극 사이를 전자가 빨리 이동하여도 이온이 전해질 사이를 빨리 통과하지 못한다면 배터리의 방전 속도는 느릴 것 입니다.

그리고 약 100개의 이온중 50개만 분리막을 통과한다면 전자는 50개만 이동하는 것과 같은 효과를 얻을 것 입니다.

이렇듯, 음극, 양극, 전해질, 분리막 중 어느 것 하나 안 중요한 것이 없는 배터리 입니다.

배터리야 말로 4가지의 궁합이 잘 맞아야 합니다.

 

배터리에서 가장 많이 사용되는 말 중에 하나가 바로 기전력 (electromotive force) 입니다.

저도 처음에 이 말을 이해하기가 어려웠습니다.

전력 (power)은 아는데, 앞에 기가 붙어서 도무지 어떤 의미인지 이해하기 어려웠습니다.

 

기전력 공부중...