2차전지 뜻, 2차전지 구조(양극재, 음극재, 분리막, 전해질) 자세히 공부하기

2차 전지 뜻

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2차 전지가 있다는 것은 앞에 1차 전지가 있다는 말이다. 1차 전지는 시계, 리모컨 등에 사용되는 배터리로 한번 사용하면 다시 재사용이 불가능하여 버려야 한다. 건전지, 알칼리전지가 대표적인 1차 전지이다.

2차 전지는 충전이 가능해서 한번 사용하고 나서도 다시 재충전해서 사용할 수 있는 배터리를 말한다.

 

 

 

 

2차 전지 구조

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충전과 방전을 반복할 수 있는 전지로 양극재, 음극재, 전해질, 분리막, 용기로 구성된다. 

 

2차 전지 안에서 전기를 만들어 내는 구조는 이온이 음극에서 양극으로 이동을 할 때 전기가 생긴다. 음극에 있던 이온이 다 양극으로 가서 달라붙으면 배터리가 0%가 된다. 그리고 충전을 하면 양극에 붙어있는 이온을 다시 음극으로 되돌려 주는 데 음극에 가서 다 달라붙으면 배터리가 100%가 된다. 

 

이 이온들이 잘 달라붙도록 양극과 음극을 형성해 주는 게 양극재와 음극재이다. 그리고 양극재와 음극재가 붙지 못하게 막아주는 것이 분리막이다. 그런데 완전히 막아두면 이온이 왔다 갔다 할 수 없기 때문에 중간에 작은 구멍을 뚫어 놓는다. 이 구멍 사이를 이온이 잘 왔다 갔다 하려면 굉장히 가볍고 잘 움직이는 물질로 이루어져야 한다. 그래서 찾은 게 리튬이온 배터리이다. 지구상에서 리튬이 3번째로 가벼운 원자라고 한다. *수소 <헬륨 <리튬(원자번호 3번)

 

리튬이온베터리 작동원리(자료출처=포스코)

 

 

 

 

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리튬이온 배터리의 4대 구성

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리튬이온 배터리의 4대 구성요소 (자료출처=삼성SDI)

 

 

 

 

▶양극재

 

전기차의 심장이 배터리라면 배터리의 심장은 양극재이다. 리튬이온 배터리의 주 에너지 원으로 배터리 원가의 40~45%를 차지한다. 배터리의 용량과 출력 등 배터리의 특성을 결정하는 중요한 요소이다. 양극재는 어떤 활물질을 사용했는지에 따라 배터리의 용량과 전압이 결정된다. 리튬과 산소 그리고 다른 금속 성분이 만나 수많은 조합이 탄생할 수 있다. 금속의 종류와 비율에 따라 서로 다른 특성을 가진 양극재가 만들어진다. 오랜 연구로 그 수많은 조합 중 배터리로 적합한 성능을 내는 조합은 크게 5가지라고 한다. 

 

1. LCO: 리튬, 코발트, 산소로 구성된다. 에너지 밀도가 낮아 스마트폰용 리튬이온 배터리에 주로 사용된다.

2. LFP : 리튬, 철, 인산, 산소로 구성된다. 철을 사용해 저렴하고 안정성이 높지만 무겁고 에너지 용량이 적어 전기차용 배터리로는 적합하지 않다. 

3. LMO : 리튬, 망간, 산소로 구성된. 망간을 사용해 가격이 저렴하나 고온에 약하다는 단점이 있다.

4. NCM : 리튬, 니켈, 코발트, 망간, 산소로 구성된다. LCO에 니켈과 망간을 추가하였다. 최근 니켈의 함량을 높여 에너지 밀도를 높이 값비싼 코발트 사용은 줄이는 방향으로 연구 개발 되고 있다.

5. NCA :  리튬, 니켈, 코발트, 알루미늄, 산소로 구성된다. LCO에 니켈과 알루미늄을 추가하였다. 니켈의 비중이 높아 에너지 밀도가 높지만 안전성이 낮아 중대형 배터리보다는 소형 배터리에 주로 사용한다. 

 

 

*양극재 관련종목 : 포스코케미칼, 에코프로비엠, 엘앤에프, LG화학, 코스모 신소재 등

 

 

 

 

▶음극재

 

2차 전지 충전 때 양극에서 나오는 리튬이온을 음극에서 받아들이는 소재로 주로 흑연으로 구성되어 있다. 배터리의 충전속도와 수명을 결정한다. 왜냐면 리튬이온 배터리는 충전과 방전을 반복하면 사용시간이 점점 줄어들게 되는데 음극이 시간이 지날수록 구조가 무너지기 때문이다. 또한 배터리를 충전하면 리튬이온이 양극에서 음극으로 이동해 음극재 소재인 흑연의 층 사이로 들어가고 리튬이온이 들어간 흑연은 커지게 된다. 이렇게 부피변화가 생기면 용량에도 영향을 미치게 된다. 이러한 용량의 한계로 인해 음극의 원소재로 실리콘을 사용하려는 시도가 계속되고 있으며 실리콘과 다양한 소재의 복합화에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다.

 

 

*음극재 관련종목 : 포스코퓨처엠(포스코케미칼), 대주전자재료, 나노 신소재 등

 

 

 

 

▶분리막

 

배터리의 안전성과 관련된 핵심 소재라 할 수 있다. 배터리 내부에서 양극과 음극이 접촉하지 않도록 분리해 주는 막이며 이온이 오가는 통로 역할을 한다. 분리막은 다른 소재들과 달리 배터리의 안전성과 연관되어 있기 때문에 여러 조건들이 잘 갖춰줘야 한다.

 

*분리막 관련주 : SK아이테크놀로지, 대한유화, 피엔티, 유에스티 등

 

 

 

 

▶전해질

 

리튬이온이 충전, 방전될 때 양극과 음극을 잘 오갈 수 있게 도와주는 물질이다. 액체 전해질을 주로 사용한다. 배터리 성능을 향상하고 배터리 원가의 10%를 차지한다.

 

*전해질 관련주 : 엔켐, 동화기업, 솔브레인, 솔브레인홀딩스, 천보 등

 

 

 

 

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리튬이온 배터리 장점

 

수명이 길다. 동일 용량의 다른 배터리보다 무게와 부피 소형화가 가능하고 수은, 납, 카드뮴 등과 같은 환경 규제 물질을 포함하고 있지 않다. 리튬을 활용한 2차 전지는 보통전지보다 적은 무게로 더 높은 전압의 전기를 만들어 낸다. 일반전지의 전압은 약 1.3 ~ 2 볼트가량인데, 리튬이 포함된 전지의 전압은 3 볼트 이상이다. 또한 타 금속 이온에 비해 작고 가벼워 단위당 높은 에너지 밀도를 얻을 수 있다. 최근 리튬이 미래 산업의 쌀, 또는 하얀 석유라고도 불리게 된 것은 2차 전지가 미래 신성장 산업으로 떠올랐기 때문이다. 스마트폰, 노트북 등 휴대용 전자기기에 이어 전기차, 로봇 산업에 필요한 2차 전지를 만들기 위해 리튬은 필수 소재로 주목받고 있다.