모양은 다채롭게, 충전은 업그레이드 - 2차 배터리 기술

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LGScienceLand_과학송

2021. 8. 2.

 

 

 

 

배터리 모양이 너무 달라!

육각형 배터리, ㄷ자형 배터리

배터리의 모양을 다양하게 만들 수 있는 2차 배터리 기술

 

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우리가 사용하느나 휴대기기에는

전기에너지를 공급해주는 다양한 배터리가 있습니다.

 

그런데 이 많은 배터리 중에서 어떤 배터리는 사용 후 버리고

또 어떤 배터리는 버리지 않는데요.

그 이유는 무엇일까요?

 

먼저 배터리는 1차 전지와 2차 전지가 있는데

생김새로 구분하긴 어려워요.

이 둘의 차이는 바로 충전 가능성입니다.

 

1차 전지는 에너지를 다 쓰면 충전이 되지 않아 일회용인 반면

2차 전지는 충전해 재사용 할 수 있습니다.

 

 

이제 배터리의 원리를 자세히 알아볼까요?

1차 전지는 과학자 볼타의 이론을 바탕으로 탄생했어요.

볼타는 서로 다른 두 금속이 만나면

전기가 만들어진다는 것을 발견했죠.

 

여기 아연과 구리가 있습니다.

그다음 전해질에 두 개의 금속을 담급니다.

전해질이란 물 같은 용매에 녹아 이온을 형성시켜

전기가 통하게 만드는 물질을 말하는데요

볼타는 묽은 황산을 전해질로 사용했어요.

 

어떤 반응이 일어나는지 살펴볼까요?

이온화 경향이 큰 아연에서는 산화 반응이 일어나

(이온화 경향: 금속이 전자를 방출해서 양이온이 되려는 경향)

전자를 내놓는 (-)극이 되고

이온화 경향이 작은 구리는 환원 반응이 일어나

전자를 얻는 (+)극이 됩니다.

 

전자가 도선을 통해 (-)극에서 (+)극으로 이동하면

전구에 불이 들어옵니다.

이때 전류는 (+)극에서 (-)극으로 흐른 것이죠.

이 과정을 통해 전기에너지가 발생하는 걸 알 수 있어요.

 

볼트는 아연과 구리 사이에 액체의 전해질을 놓고

층층이 쌓아 올렸는데요

오늘날의 1차 전지는 탄소막대가 중심에 있고 겉면에 아연이,

그 사이 반죽의 형태의 전해질을 사용한 것이

과거와 다른 점입니다.

 

앞에서 본 것처럼 산화 반응이 일어나면

(-)극에서 (+)극으로 전자를 보내 전기를 발생시키는데

아연이 모두 산화되면 더 전기에너지를 만들어내지 못하게 됩니다.

그래서 다 사용한 배터리는 버려지고 다른 배터리로 교체합니다.

 

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이제 버리지 않고 충전을 통해 반복해서 사용할 수 있는

2차 전지에 대해 알아볼까요?

 

우리가 많이 사용하는 2차 전지 중 하나인 리튬 이온 배터리가 있습니다.

도선으로 연결된 배터리의 구조를 보면

리튬 산화물로 구성된 양극재와 주로 흑연으로 구성된 음극재

양극과 음극의 직접적인 접촉을 막아주면서

리튬 이온은 이동할 수 있는 분리막 그리고 리튬 이온의 원활한 이동을 돕는 전해액이 있습니다.

 

외부에서 전압을 받으면

리튬 이온과 리튬 이온에 있던 전자가 분리되어

전자는 도선을 통해 음극재로 이동하고

리튬 이온은 분리막을 통과해 음극재 사이사이로 들어갑니다.

이 과정을 통해 배터리가 충전되는 것이죠.

 

외부에서 전기를 사용하면 전류의 이동에 따라서

음극재에 있던 리튬 이온이 분리막을 통과해 다시 양극재로 이동하고

전자도 도선을 따라 양극재로 이동해 리튬 이온과 결합합니다.

이 과정을 방전이라고 하며, 전기를 사용하게 됩니다.

 

이렇게 충전과 방전 과정을 반복할 수 있는 것이

2차 전지가 재사용 될 수 있는 이유입니다.

 

여기서 잠깐!

충전과 방전은 영구적으로 지속될까요?

 

아닙니다.

실제로 오래 사용하면 일부 리튬 이온이 정상적으로 반응하지 않는 문제가 발생하게 되고

충전량이 점차 줄게 됩니다.

 

전통적으로 2차 전지의 주요 재료는 납이나 니켈이었는데요

현재는 앞에서 설명한 리튬 이온이

배터리 시장에서 가장 많이 사용되고 있어요.

 

그 이유는 리튬 이온은 전기에너지 밀도가 높아

오랫동안 사용할 수 있고

무게가 가볍고 비교적 고장이 적은 편인 데다

특히 메모리 효과가 없어요.

 

메모리 효과란

배터리를 완전히 방전시키지 않은 상태에서 충전하면

충전 가능 용량이 줄어드는 현상을 말해요.

 

배터리 사용이 전기자동차까지 확대되면서

한 번 충전으로 더 오래, 안정적으로 사용할 수 있는 배터리를 만들기 위해

배터리 구조도 다양하게 진화하고 있습니다.

 

초창기 배터리는 건전지 모양과 비슷한 와인딩 방식으로

전극을 분리막 위에 놓은 후, 김밥처럼 둘둘 마는 방식입니다.

와인딩 방식은 쉽게 제작할 수 있지만

말린 안쪽이 압력을 많이 받아 방전과 충전을 반복하면 불안정할 수 있습니다.

 

이 문제를 해결하고자 노력한 방안이

바로 수택&폴딩 방식입니다.

수택&폴딩 방식은 전극을 셀 단위로 자른 후

분리막에 나누어 쌓으며 접는 방식으로 내부 압력이 균일하여

방전과 충전을 반복하여도 안정적인 장점이 있습니다.

 

또한 배터리 용량이 곧 주행거리인 전기차의 경우

와인딩 방식은 배터리에 공백이 남아 있지만

수택&폴딩 방식은 공백 없이 배터리를 채울 수 있습니다.

 

이제는 원통형이나 사각형이 아닌

다양한 모양의 배터리가 필요하게 되었는데요

전극과 분리막을 원하는 모양으로 잘라 층층이 쌓아

다양한 모양의 배터리를 만드는 기술까지 실현되었습니다.

 

이 기술은 동그란 스마트워치에 네모가 아닌

육각형의 배터리를 제작하여 버리는 공간을 최소화하고

배터리 용량을 늘릴 수 있게 된 것이죠.

 

배터리 모양에 대한 자유로운 상상은

선 형태의 와이어 배터리를 만들어 내기도 했습니다.

 

발전한 기술의 영향으로 진화한 리튬 이온 배터리는

다양한 스마트 기기와 전기자동차뿐만 아니라

드론에도 사용되고 있습니다.

 

하지만 고온과 고전압, 과도한 사용 빈도로 인한 스트레스 상황에서는

안정성이 떨어지는데요

그래서 아직 극복해야 할 과제가 남아 있습니다.

 

많은 연구원이 양극, 음극, 전해질, 분리막, 생산 공정처럼

배터리에 관한 여러 가지 연구를 하고 있습니다.

 

여러 가지 연구들이 모이면 지금보다 더 오래

더 여러 번 사용할 수 있는 배터리가 만들어지는데요

그런 노력이 모이면 리튬-황 전지나 전고체 전지처럼

지금과 완전히 다른 개념의 배터리도 만들어질 것이라고 생각합니다.

 

빠른 속도로 발전한 배터리 기술

앞으로 발명될 배터리는 어떤 모습일까요?

 

충전 걱정 어벗이 오래 사용할 수 있는 새로운 배터리의 모습

앞으로 다가올 미래의 배터리

같이 상상해봐요!