리튬이온배터리의 A to Z 정리해 드립니다.
왜 리튬(Lithium)인가?
최근 가장 각광받고 있는 배터리는 리튬이온배터리입니다. 나트륨 이온 전지도 있고 최근에는 충. 방전 회수가 유리한 바나듐 전지도 뜨고 있습니다. 그러나 아직까지 가장 효율적이며 가격경쟁력을 확보하여 전기자동차를 포함 다양한 분야에 사용되는 전지는 리튬이온배터리임을 아무도 부인하지 않을 것입니다.
우선 왜 리튬이란 재료를 사용하는 것인지부터 알아보겠습니다.
결국 배터리라는 것의 원론적인 특징과 요구되는 특성에 대해서 생각해 봐야 합니다. 배터리 즉 2차 전지는 에너지는 담아 필요한 상황에 꺼내쓰고 다시 담아두는 에너지 저장장치라고 할 수 있습니다. 그러기 위해서는 최근에 전기차들이 요구하는 공통적인 부분, 동일한 질량에 많은 에너지를 담아야 하고 또한 충전 시 시간 소요가 짧아야 합니다. 다시 말해서 에너지 밀도가 높고 충전시간은 짧아야 하는 것이죠.
배터리의 기본적인 원리에 대해서 잠깐 얘기해 보죠. 배터리 원리를 알기 위해서는 전기화학에 관한 간단한 지식이 필요합니다. 전기화학준위(Electorochemical Potential)라는 말이 있습니다. 줄여서 전위라고 하는데요. 전자를 잃기 쉬운 경향을 전위라고 합니다. 재료는 원자핵과 그 주위를 돌고 있는 전자로 구성되어 있는데요. 원자핵 주위를 돌고 있는 전자는 음(-)의 성질의 가지고 있고 반면에 원자핵은 양(+)의 성질을 가지고 있습니다. 물질은 이 음. 양이 균형을 이루며 존재하는데요.
원자핵을 돌고있는 전자가 떨어져 나오기 쉬운 경향을 전기음성도라도 합니다. 과학자분들이 친절하게 주기율표라고 해서 각 물질들의 특성을 정리해 놓은 표가 있습니다.
주기율표는 배터리에 사용되는 재질들을 논할 때 빠지지 않고 등장하니 재료의 특성을 이해하기 위해서는 표의 속성에 대해서 이해해 두시면 좋습니다. 주기율표의 특성은 위에 설명된 경향성을 참조하시면 도움이 될 것입니다.
전기화학반응을 이해하기 위해서는 산화(Oxcidation)와 환원(Reduction)에 대해서도 아셔야 합니다. (최소한의 지식입니다.) 간단히 설명하면 산화반응은 전자(Electron)을 잃고, 환원은 전자를 얻는 반응이라고 이해하시면 됩니다.
아래 그림을 보시면 리튬의 전자를 잃는 경향성이 매우 높은데요. 즉 전자를 잃고 양이온으로 존재하려는 경향이 매우 높아 3.04V의 에너지를 준위를 가지고 있습니다. 반면에 불소(Fluorine)는 상대의 전자를 빼앗는 힘이 강한 , 즉 환원력이 매우 강한 산화제이며 마이너스 2.8V의 에너지 준위를 가지고 있습니다.
200년 전 볼타라는 과학자분은 아연(Zn)과 은(Ag)을 이용하여 최초의 전지를 만들었는데 그게 바로 볼타 전지입니다.
지금까지 내용을 정리해 보면, 물질은 원자와 그 주위를 도는 전자로 구성되어 있고, 전자가 도망가기 쉬운 경향을 전기음성도가 높다. 전자를 잃게 되는 반응 즉 산화가 쉽게 되는 재질들이 있는데 주기율표상에서 좌측에 위치한 1족 원소들은 원자 주위에 최외각에 1개의 전자만 있어 전자를 잃기 쉽다. 즉 산화가 용이하다. 배터리에 사용되기 위해서는 이온화 에너지가 낮아서 이온화되기 쉬운 재료들이 용이하고 그중에서도 가볍고 작을수록 유리해집니다.
자 그렇다면 주기율표에서 어떤재질이 이런 요구조건에 가장 맞을까요?
바로 리튬입니다.
원자번호 3번의 리튬은 물에 뜰 정도로 가벼운 금속이면서 물에 닿으면 폭발할 정도로 반응성이 강한 재료입니다. 그만큼 에너지가 높은 재료이고, 주기율표에서 보듯이 전자를 잃고 이온화되기 쉬운 알칼리 금속이기도 하지요.
리튬은 매장량이 많지 않고 특정지역에서만 채굴이 가능한 희귀금속(Rare metal)입니다. 전 세계 매장량의 70% 이상이 아르헨티나, 볼리비아 등 남미지역에 분포되어 있습니다. 따라서 리튬 채굴권에 대한 문제는 국제적 관심사이기도 합니다.
오늘은 리튬이온배터리 전지의 리튬(Lithium)에 대해서 알아보았습니다. 다음에는 리튬이온 배터리의 용량을 좌우하는 양극재 소재들 즉 니켈, 코발트, 망간으로 대표되는 재질들의 특성과 배터리 내에서의 역할에 대해서 알아보도록 하겠습니다.
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