2차전지를 공부하다(2)

앞시간에 "2차 전지를 공부하다(1)에서는 2차 전지가 무엇인가. 2차 전지의 종류, 2차 전지의 원리에 대해 알아보고 가장 많이 쓰이는 리튬이온 배터리의 문제성과 안전성에 대한 부분을 공부했다. 그럼 두 번째 이번 시간에는 2차 전지의 구성요소와 기업들의 배터리 종류, 배터리 모양에 따른 사용 용도를 알아보겠습니다.

 

 

 

 

2차 전지의 구성요소

2차 전지의 구성요소에는 크게 4가지로 나누어집니다. 기준의 2차 전지를 가장 많이 쓰이는 리튬이온 배터리로 기준으로 말하면 양극재, 전해질, 분리막, 음극재로 나누어집니다. 이 중에서도 가장 중요한 것은 양극재입니다. 이유는 배터리의 용량과 사용가능 시간을 결정하는 부분이기 때문입니다.

양극재는 전지나 배터리에 양극에서 사용되는 화학물질을 나 타탭니다. 전지는 양극과 음극으로 구성되어 있으며 극에서 화학적인 변화가 일어나 에너지를 생성하거나 저장합니다. 양극재의 종류는 사용되는 전지의 종류에 따라 달라지며, 주로 사용되는 양극재로는 리튬이온 전지에서 사용되는 양극재가 있습니다. 양극재는 전지에서 양극 반응에 참여하여 전지의 전압 및 성능을 결정합니다.  리튬이온 전지에서의 양극대로는 주로 리튬과 다양한 금속산화물이 사용됩니다. 대표적인 양그재로는 (리튬코발트 산화물 (LiCoO2), 리튬 니켈 산화물 (LiNiO2), 리튬 망간 산화물 (LiMn2 O4), 리튬 철 인산물 (LiFePO4) )등이 있습니다. 양극재는 전지의 성능, 안전성, 비용 등에 영향을 미치는 중요한 부분이며, 연구와 기술발전을 통해 더욱 효율적이고 안전한 양극재가 개발되고 있습니다.

 

음극재는 전지나 배터리에서 음극에서 사용되는 화학물질을 나타냅니다. 전지는 양극, 음극 구성 이후 종류도 다양합니다.주로 사용되는 음극재중 하나는 리튬이온전지에서 사용되는 음극재입니다. 음극재는 전지에서 음극 반응에 참여하여 전지의 전압 및 성능을 결정합니다. 그래핀 같은 물질 흔히 사용되고, 그래핀은 전기 전도성이 뛰어나 에너지 전달에 효과적이며, 콜 탄소는 안전성과 성능 면에서 우수한 특성을 가지고 있습니다. 다른 종류의 배터리에서는 다양한 음극재가 사용됩니다. 예를 들어, 납산화물 배터리에서는 납과 산화물질이 음극재로 사용될 수 있습니다. 음극재는 전지의 성능, 안전성, 비용 등에 영향을 미치는 중요한 부분이며, 연구와 기술발전을 통해 더욱 효율적이고 안전한 음극재가 개발되고 있습니다.

 

분리 막는 양극과 음극을 서로 분리하면서 전기를 통과시키는 역할을 하는 중요한 부분입니다. 분리막은 전지 내에서 양극과 음극 사이에서 직접적인 전기적 연결을 차단하면서 이온은 통과시킬 수 있도록 설계되어 있습니다. 주요 역할은 다음과 같습니다.

전기적 분리-양극과 음극을 서로 전기적으로 차단하여 쇼트를 방지합니다. 이를 통해 전지 내에서 안전하게 전류가 흐를 수 있도록 합니다.

이온통과-분리막은 이온들이 양극과 음극 사이에서 이동할 수 있게 하여 충전 및 방전과정이 일어날 수 있도록 합니다. 주로 리튬이온 전지에서는 리튬 이온들이 분리막을 통과하여 전지의 작동이 가능합니다.

액체 누출 방지- 분리막은 전지 내의 액체 부붐이 서로 섞이는 것을 방지하여 전지의 안정성을 유지합니다. 또 한, 분리막은

열에 대한 저항이 있어 과열로 인한 안전 문제를 완화할 수 있습니다.

포레이트 구조- 일부 분리막은 미세한 구조를 가지고 있어 이를 통해 이온의 효율적인 이동을 도와줍니다. 이는 전지의 성능과 사이클 수명을 향상할 수 있습니다. 

 

분리막의 소재로는 주로 폴리머나 세라믹 소재가 사용되며, 최근에는 고체 전해질이 사용되면서 고체 분리막이 등장하고 있습니다. 고체 분리막은 전체적으로 높은 안전성과 전력 효율성을 제공할 수 있습니다. 분리막은 전지의 안전성, 성능, 수명 등에 큰 영향을 미치기 때문에 연구와 기술 개발이 계속되고 있습니다.

기업들의 배터리 종류

대한민국의 다양한 기업들이 2차 전지 분야에서 다양한 종류의 배터리를 개발하고 생산하고 있습니다. 크게는 원통형, 각형, 파우치형으로 나뉘는데 우선은 아래의 대표적인 대한민국 기업들과 그들이 생산하는 주요 2차 전지 종류입니다.

 

삼성 SDI: 종류= 다양한 리튬이온 배터리를 생산하며, 전기차, 휴대전화, 노트북 등에 사용되는 고에너지 및 고밀도 배터리를 공급하고 있습니다. 대표제품으로는 Prismatic Battery, Pouch Battery 등이 있습니다.

LG화학: 종류= 리튬이온 배터리뿐만 아니라 다양한 응용분야에 사용되는 배터리를 개발하고 있습니다. 전기차용 배터리, 에너지 저장 시스템 등을 생산합니다. 대표 제품으로는 NCM, NCA 등의 리튬이온 배터리가 있습니다.

SK Innovation: 종류= 전기차 및 이동형 전차제품에 사용되는 다양한 종류의 리튬이온 배터리를 공급하고 있습니다.

판테크: 종류= PANASONIC은 협력사로서 대한민국 내에서도 자동차 및 이동형 전자기기용으로 리튬이온 배터리를 공급하고 있습니다. 대표 제품으로는 NCA, NCM 등의 리튬이온 배터리입니다.

이노팩: 종류= 고에너지 및 고밀도 배터리를 중점으로 한 다양한 리튬이온 배터리를 개발하고 있습니다 대표 제품으로는  3D Silicon Lithium-ion Battery 가 있습니다.

네오리튬: 종류= 리튬이온 및 나트륨 이온배터리 등을 개발하고 있으며, 에너지 저장 분야에서 활용되는 배터리르생산합니다. 대표 제품: NEOELECTRO, NEOGAIN 

DBM 에너지: 종류= 고성능 배터리와 에너지 저장 시스템을 제공하는 회사로, 이동형 전자기기 및 태양광 에너지 저장에 활용되는 배터리를 생산합니다. 대표 제품: 대표 제품: Greenpack, BlueSk 등이 있다.

배터리 모양에 따른 사용 용도

원통형은 가장 저렴하게 생산하고, 사용 범위가 한정적이며 수명이 짧은 특징이 있습니다.

파우치형은 에너지 밀도가 높아서 사용 용도가 다양하고 , 제조 공정이 복잡해 원가가 높아지는 단점이 있습니다.

각형은 알루미늄 케이스로 내구성이 좋고 , 공간 활용도가 높지만 무게가 많이 나가고 냉각이 어려운 단점이 있습니다.

전기차 업체별로 배터리 모양은 테슬라가 원통형을, LG/현대기아차/BMW 등이 파우치형과 각형을 사용하고 있습니다.