여러분은 전자기기를 몇 개나 사용하고 계신가요? 스마트폰, 태블릿PC, 노트북, 무선 이어폰 등 많은 전자기기를 휴대하며 사용하고 있는 요즘입니다. 백이면 백 그 안에는 리튬이온배터리가 들어있을 텐데요. 현재 배터리의 주류로 자리 잡고 있는 리튬이온배터리. 과연 어떤 구조와 원리로 작동하는 걸까요?
리튬이온배터리는 리튬 이온이 양극재와 음극재 사이를 이동하는 화학적 반응을 통해 전기를 만들어냅니다. 양극의 리튬 이온이 음극으로 이동하며 배터리가 충전되고 음극의 리튬 이온이 양극으로 돌아가며 에너지를 방출, 방전되는 것이죠. 이때 양극과 음극 사이에서 리튬 이온의 이동통로 역할을 해주는 전해질과 양극과 음극이 서로 닿지 않게 해주는 분리막이 필요한데요. 일반적으로 리튬이온배터리의 4가지 구성 요소라고 하면 이 양극재, 음극재, 전해질, 분리막을 말합니다.
양극재
리튬이온배터리에서 리튬이 들어가는 공간이 바로 양극재입니다. 리튬 이온이 사는 집에 비유할 수 있죠. 리튬은 전자를 잃고 양이온이 되려는 경향이 강해서 양극 소재로 적합합니다. 단, 원소 상태의 리튬은 불안정하기 때문에 리튬과 산소를 결합한 리튬 산화물 형태로 양극에 사용됩니다.
양극재는 배터리의 성능에서 중요한 ‘용량’과 ‘전압’과 관련된 소재인데요. 양극재의 리튬 비중이 높을수록 배터리 용량이 커지며, 배터리 전압은 양극의 전위차에 의해 결정되므로 양극의 구조에 따른 전위값이 전압에 큰 영향을 줍니다. 최근에는 고성능 양극재의 수요가 늘면서 NCA(니켈·코발트·알루미늄), NCMA(니켈·코발트·망간·알루미늄) 등 다양한 양극재가 개발되고 있습니다.
음극재
음극재는 양극에서 나온 리튬 이온을 저장 및 방출하며 외부 회로를 통해 전류가 흐르게 하는 역할을 합니다. 배터리가 충전 상태일 때 리튬 이온은 음극에 존재하는데, 이때 양극과 음극을 도선으로 이어주면 리튬 이온은 전해질을 통해 양극으로 이동하고, 리튬 이온과 분리된 전자는 도선을 따라 이동하며 전기를 발생시킵니다. 집에서 나온 리튬 이온이 일을 하며 만든 전기라고 생각할 수 있겠네요.
음극재는 많은 이온을 안정적으로 저장할 수 있는 흑연이 주로 사용됩니다. 하지만 리튬 이온을 저장하고 방출되는 과정이 반복될수록 흑연의 구조가 변화하며 저장할 수 있는 이온의 양이 줄어들게 되는데, 이로 인해 배터리 수명이 줄어들게 됩니다. 음극재 역시 용량이 크고 충전 속도를 빠르게 할 수 있는 실리콘 음극재 등 차세대 음극재 개발이 활발하게 진행되고 있습니다.
전해질
전해질은 배터리 내부의 양극과 음극 사이에서 리튬 이온이 원활하게 이동하도록 돕는 매개체입니다. 리튬 이온이 출퇴근하기 위한 이동 수단인 것이죠. 전해질은 리튬 이온의 원활한 이동을 위해 이온 전도도가 높은 물질이어야 하며, 안전을 위해 전기화학적 안정성, 발화점이 높아야 합니다. 또한 전자의 경우 출입을 막아 외부 도선으로만 이동하도록 만들어야 하죠.
현재로서는 이러한 역할을 할 수 있는 최선의 선택으로 액체 전해질이 널리 사용되고 있는데요. 안전성과 성능이 더 뛰어난 고체나 젤 형태 전해질에 대한 연구도 활발히 진행되고 있습니다.
분리막
워라밸을 위해 집에서의 휴식과 회사에서의 일은 확실히 분리해야 하듯, 분리막은 양극과 음극의 물리적 접촉을 차단하는 역할을 합니다. 분리막에는 미세한 구멍이 있어 리튬 이온이 이동할 수 있도록 되어 있는데요. 즉, 양극과 음극 간의 접촉은 막고 이온은 이동이 가능해야 하는 것이죠.
분리막은 안전을 위해 높은 전기절연성과 열 안정성이 요구되며, 일정 이상의 온도에서는 자동으로 이온의 이동을 막는 기능도 갖춰야 합니다. 현재 분리막에는 폴리에틸렌(PE)과 폴리프로필렌(PP)이 널리 쓰이고 있는데요. 배터리 소형화를 위해 분리막을 얇게 만들기 위한 연구 또한 이뤄지고 있습니다.
지금까지 리튬이온배터리의 4대 구성 요소와 작동 원리를 살펴보았는데요. 우리 삶을 편리하게 만들어준 리튬이온배터리지만 지금 이 순간에도 여러 한계를 극복하기 위해 다양한 연구가 이뤄지고 있습니다. LG에너지솔루션 역시 업계를 선도하며 차세대 배터리 개발에 앞장서고 있는데요. 지난 4월 열린 <배터리 데이 2021> 행사에서 LG에너지솔루션은 2025년부터 리튬황배터리를, 2025년~2027년 전고체 배터리를 상용화할 계획을 밝힌 바 있습니다.
또 지난 9월에는 미국 샌디에이고대학교(UCSD)와의 공동연구를 통해 기존의 60℃ 이상에서만 충전이 가능했던 전고체 배터리의 기술적 한계를 극복했다고 밝히기도 했는데요. 통상 25℃의 상온에서도 빠른 속도로 충전이 가능한 장수명 전고체 배터리 기술을 개발했고 관련 논문이 세계적인 과학 저널인 ‘사이언스(Science)’지에도 게재되며 그 성과를 인정받은 것이죠. 지금 이 시간에도 차세대 배터리 상용화를 위한 노력은 계속되고 있으며, 우리는 우리도 모르는 새에 미래에 한 발짝씩 다가서고 있습니다.