기존전지와 리튬이온배터리 비교

전지는 산화-환원 반응을 이용하여 화학 에너지를 전기에너지로 바꾸는 장치를 일컫는 말로 재사용 여부에 따라 1차 전지와 2차 전지로 나눌 수 있습니다. 

잘 알려져 있다시피 1차 전지에는 수은전지, 망간전지, 알카라인 전지, 리튬전지 등이 있으며, 2차 전지에는 납 축전지, 니켈카드뮴(Ni-Cd) 전지, 니켈 수소(Ni-MH) 전지, 리튬 이온(Li-Ion) 전지, 리튬 폴리머(Li-Polymer) 전지 등이 있습니다. 

 

1차 전지는 1800년대 이탈리아 과학자 볼타가 구리와 아연 전극을 이용한 1차 전지를 발견한데 이어 1895년 프랑스의 물리학자 가스톤 플랑테에 의해 납 축전지라는 최초의 2차 전지를 개발하게 됩니다. 

1960년대 니켈카드뮴전지가, 1980년대 니켈 망간전지가, 1990년대 니켈수소전지가 발명되었습니다. 

 

리튬이온 전지의 발견

 

1956년 미국의 위팅엄 교수에 의해 리튬금속을 음극재로 한 리튬이온 전지를 처음 발명되었으나, 리튬의 강한 반응성에 의한 폭발 위험성으로 상용화는 제대로 진행되지 않았습니다. 위팅엄 교수는 리튬 이차전지에 대한 연구 공로를 인정받아 2019년 미국의 존 굿 이너프 교수, 일본의 아키라 요시노 교수와 함께 노벨화학상을 공동으로 수상하였습니다. 

 

리튬은 높은 에너지밀도를 가진 최적의 음극 재이지만 녹는점이 10℃정도이고 경도도 낮아 물리적인 충격이나 고온 노출 시 화재나 폭발의 위험성이 큰 물질입니다. 

 

1990년대까지 세계의 배터리 시장을 평정하고 있던 파나소닉과 산요전기를 넘어서 배터리 시장에 진입하고자 했던 소니는 당시에 일반적으로 사용되던 니켈카드뮴과 니켈수소전지 대신에 리튬이온 전지 개발에 사활을 걸었습니다. 그리고는 마침내 흑연을 음극으로 사용하며, 리튬 코발트 산화물을 양극으로 사용하는 현재의 3원계 타입의 니켈 이차전지를 개발하기 이릅니다. 

 

소니는 2000년대 중반까지 파나소닉을 밀어내고, 산요전기와 세계 이차전지 2강 구도를 이끌며 세계시장을 선도했습니다. 

 

기존 전지와 리튬이온전지 비교

리튬 이차전지는 양극재, 음극재, 전해질, 분리막 크게 4가지로 구성되어 있습니다. 양극은 리튬과 산소가 만나 리튬 산화물 형태로 존재하는데요. 배터리가 충전 시에는 리튬 산화물에서 리튬만 빠져나와 음극으로 이동하고 , 배터리가 방전될 때는 리튬이온이 양극으로 돌아가며 전기가 발생하게 되는 원리입니다. 

 

좀 더 자세히 살펴보면 충전 시에는 양극에 있는 리튬(Li2O)이 리튬이온(Li)과 전자(2-)로 분리되고 리튬이온(Li)은 전해질과 분리막을 통과해 음극으로 이동하여 음극활물질(흑연) 사이에 저장되며, 방전 시에는 음극 활물질에 저장되어 있던 리튬이온(Li)은 전해질과 분리막을 통과해 다시 양극으로 이동하고 전자 (2-)가 음극에서 양극으로 이동하면서 전기를 발생시키는 구조입니다. 

 

그렇다면 기존의 전지들과는 어떤 차이점이 있을까요?

 

당연히 수은이나 알카라인과 같은 1차 전지와의 가장 큰 차이점은 재사용이 가능하다는 점이겠죠. 하지만 이런 1차원적인 차이점 말고 리튬이온배터리가 가지는 특징은 무엇이 있을까요?

 

1. 에너지밀도가 우수하다. 

   리튬이란 물질은 어느 금속보다도 가벼우며 에너지 밀도가 크다는 장점이 있습니다. (160Wh/Kg 수준)

 

2. 기전력이 우수하다. 

   리튬이온전지는 도체 양 끝단의 전위차를 유지할 수 있는 능력, 즉 전력이 높다는 장점이 있습니다.

   리튬이온전지의 기전력은 3.6V 수준이며 니켈 기반 전지의 1.2V보다 월등히 높은 수준입니다. 

 

3. 메모리 기억효과의 영향을 받지 않는다. 

   메모리효과(Memory Effect)란 것은 충방전을 제대로 해주지 않을 경우 전하를 운반하는 수산화 이온이 배터리 내부에

   고용체를 만들어 완전충전위치를 변화시켜 충전량을 줄어들게 하여 배터리의 수명이 줄어드는 현상을 말합니다. 

   리튬이온전지는 메모리 효과가 없기 때문에 완전 방전 상태에서 충전하지 않더라도 완전 충전이 가능합니다. 

메모리 효과 (Memory Effect)

 

 4. 자가방전에 따른 전력손실이 매우 적다 

    리튬이온 자가방전율은 4~5%/월 수준으로 니켈 기반 전지의 1/4 정도에 불과합니다.