2차전지를 공부하다(1)

 

2023년 우리나라는 2차 전지 시장이 국내 주식 시장을 뒤흔들었습니다. 정말 천정부지 알 수 없을 만큼 뛰어오르며 너도 나도 주식 시장에서는 2차 전지 주식들이 강세였습니다. 그중에서도 에코프로, 에코프로비엠, 포스코홀딩스,  LG화학등 이름만 들으면 아는 회사들이 많이 있습니다. 그렇다면 그 난리가 난 2차 전지에 대해서 공부해 보겠습니다.

2차 전지란?

쉽게 말해 충전이 가능하고 반복적으로 사용할 수 있는 전지를 말합니다. 주로 전기 에너지를 저장하고 필요할 때 방출하여 사용할 수 있는 장치로, 다양한 전자 기기 및 시스템에서 사용됩니다. 2차 전지는 반복적으로 충전과 방전을 거치면서 여러 차례 사용할 수 있는 특성을 가지고 있습니다. 2차 전지는 1차 전지와 대조되는 개념입니다. 1차 전지는 일회용으로 사용 후 폐전지로 처리되는 반면 2차 전지는 충전이 가능하고 여러 차례 사용 할 수 있습니다.

 

가장 흔히 사용되는 2차 전지의 종류 중 하나는 "리튬이온 전지(Lithium-ion Battery)"입니다. 리튬이온 전지는 경량이면서 높은 에너지 밀도를 제공하며, 전자제품부터 전기자동차, 태양광 저장장치까지 다양한 용도로 사용되고 있습니다.

 

2차 전지는 다양한 화학적인 소재를 사용하여 만들어지며, 최신 기술 발전에 따라 성능이 향상되고 있습니다. 2차 전지의 사용은 전기차 및 휴대전화 같은 이동형 전자제품뿐만 아니라, 전력 그리드 저장, 태영광 발전소 등에도 활용되어 지속 가능한 에너지 시스템의 일부로 큰 역할을 하고 있습니다.

2차 전지의 종류

리튬이온 전지(Lithium-ion Battery): 현재 가장 널리 사용되는 2차 전지 중 하나로, 높은 에너지 밀도, 경량, 작은 용량 감소 등의 특성을 갖추고 있습니다. 주로 전자제품, 전기차, 에너지 저장시스템에서 사용됩니다.

리튬폴리머 전지(Lithium Polymer Battery) : 리튬이온 전지와 유사하지만, 유연한 폴리머 전해질을 사용하여 얇고 가벼운 디자인이 가능합니다. 주로 얇은 기기나 휴대전화에서 사용됩니다.

니켈-카드뮴(Nickel-Cadmium, NiCd) 전지: 오래된 종류로, 낮은 비용과 장수명의 특성이 있습니다. 그러나 카드뮴의 독성으로 인해 환경에 부담이 될 수 있어, 현재는 더 환경친화적인 기술로 대체되고 있습니다.

니켈-수소(Nickel-Metal Hydride, NiMH) 전지: 니켈-카드뮴전지의 대안으로 개발되었으며, 높은 에너지 밀도와 비교적 낮은 독성을 갖습니다. 주로 휴대전화, 카메라, 일부 전기차에 사용됩니다.

납산화물 전지(Lead-Acid Battery): 오래된 기술로 , 자동차 출발용 배터리 등에 널리 사용되고 있습니다. 납과 황산을 사용하여 만들어지며, 상대적으로 저렴하고 대용량을 제공합니다.

소다계 전지(Sodium-ion Battery): 리튬의 대안으로 소다를 전해액으로 사용하는 전지입니다. 리튬보다 풍부하게 존재하는 소다는 저렴한 가격의 소재로 대량 생산이 가능하며, 재생에너지 저장에 관심이 높아지고 있습니다.

고온 나트륨-황(Sodium-Sulfur, NaS) 전지: 높은 온도에서 동작하는 전지로, 대규모 에너지 저장 시스템에 사용됩니다. 주로 전력 그리드나 재생에너지 발전소에서 활용됩니다.

 

이외에도 연구와 개발이 계속 진행중이며, 새로운 2차 전지 기술이 계속해서 나오고 있습니다.

2차 전지의 원리는?

2차 전지의 원리는 화학적 에너지를 전기 에너지로 변환하고, 이를 저장하고 필요할 때 다시 전기 에너지로 변환하여 사용하는 것입니다. 주로 사용되는 리튬이온 전지를 기준으로 설명하면 다음과 같습니다.

 

충전 상태 (발전 상태):

음극(Anode, 음극화학반응): 음극에서는 리튬이나 다른 금속이 이온으로 변환되어 음극에 흐르게 됩니다. 이 때, 음극에서는 화학반응이 일어나면서 리튬이나 금속 이온이 음극에 적재됩니다.

양극(Cathode, 양극화학반응): 양극에서는 리튬 이온이 양극으로 이동하면서 양극에  적재됩니다. 이 때, 양극에서는 화학반응이 일어나면서 리튬 이온이 양극에 축적됩니다.

전해질(Electrolyte): 음극과 양극을 전해질을 통해 이온 하는 이온이 전기의 흐름을 유발합니다

 

방전 상태 (전기 에너지 사용 상태):

저장된 리튬 이온들이 양극에서 음극으로 이동하면서 전기 에너지가 방전됩니다. 이 과정에서 전기회로를 통해 전자가 흐르게 되는데, 이 전자 흐름이 전기 장치에 전력을 제공합니다.

 

충전 상태 (전기 에너지 충전 상태):

외부 전원이 제공되면, 리튬 이온들이 양극으로 이동하여 다시 저장 상태로 돌아가게 됩니다. 이 과정에서 화학반응이 역방향으로 진행되어 음극과 양극에 적재된 리튬들이 해제되어 충전 상태로 돌아갑니다.

 

이렇게 충전과 방전의 과정을 반복함으로써 2차 전지는 에너지를 저장하고 필요할 때 전기 에너지를 공급합니다. 이러한 원리는 다양한 2차 전지 종류에 공통적으로 적용되며, 각각의 화학적인 반응이나 소재에 따라 세부적인 과정이 조금씩 다를 수 있습니다.

가장 많이 사용되는 리튬이온 베터리의 문제점은 ?

리튬이온 배터리는 많은 이점을 가지고 있지만, 몇 가지 문제점과 안전성에 대한 고려 사항이 있습니다.

 

1.안전성문제

과열 및 화재: 리튬이 온 배터리는 과열되거나 물리적 충격을 받을 경우 화재 및 폭발의 위험이 있습니다. 배터리 내부의 전해질이 불안정해지면 리튬 금속이 응고되어 배터리내부에서 열을 발생시키고, 이는 폭발의 원인이 될 수 있습니다.

내부 단락 및 단락에서의 열생성: 배터리 내부의 단락이나 외부 충격으로 단락이 발생할 경우 열이 생성되어 배터리의 안전성에 영향을 미칠 수 있습니다.

2. 충전 및 방전 시 성능 저하

선형 내용량 감소: 배터리를 반복해서 충전하고 방전할 때, 리튬이온 배터리는 선형 내용량 감소 현상이 발생합니다. 이로 인해 시간이 지남에 따라 배터리 용량이 감소하게 됩니다.

충전 시 금속 리튬 생성: 리튬이온 배터리를 과도하게 충전할 경우, 금속 리튬이 생성되어 배터리 내부에서 충돌하거나 쇼트되는 등의 안전 문제를 유발할 수 있습니다.

3. 리튬의 환경적 문제

리튬 채굴의 환경 영향: 리튬은 채굴 과정에서 환경 오염의 위험이 있습니다. 특히 일부 국가의 리튬생산지역에서는 수도나 토양의 오염이 문제가 발생할 수 있습니다.

전기자동차 보급으로 인한 수요 급증: 전기차 보급으로 인해 리튬의 수요가 급증하면서 채굴과 생산과정에서의 환경 영향이 더욱 크게 나타나고 있습니다.

4. 리튬 공급의 불균형

리튬 공급 원자재의 한계: 현재 리튬은 주로 아르헨티나,채리,호주 등에서 채굴되고 있지만, 이 지역에 대한 의존도가 높아 공급의 불균형이 발생할 우려가 있습니다. 

 

이러한 문제점과 안전성에 대한 고려 사항은 계속해서 연구되고, 새로운 기술과 안전 대책을 통해 개선되고 있습니다. 예를 들어, 고체 전해질 기술의 도입, 안전한 배터리 디자인, 충전 관리 시스템 등이 리튬이온 배터리의 안전성을 향상시키기 위해 연구되고 있습니다.