왜 리튬이 배터리에 쓰일까? – 리튬이온 배터리의 화학 반응과 전기화학적 특성

1. 리튬이온 이차전지의 정의

리튬이온 이차전지는 충전과 방전이 가능한 전지로, 양극과 음극 사이에서 리튬이온이 이동하며 전기에너지를 저장하고 방출하는 장치이다. 기존의 일차전지와 달리 여러 번 재사용할 수 있어 경제적이며, 높은 에너지 밀도와 긴 수명을 갖춘 것이 특징이다. 이러한 특성으로 인해 스마트폰, 노트북, 전기자동차, 에너지 저장 시스템 (ESS) 등 다양한 분야에서 활용되고 있다.

 

2. 산화-환원 반응과 전자 및 이온 이동

리튬이온 배터리의 핵심 작동 원리는 산화-환원 반응을 이용한 에너지 저장과 방출이다. 배터리 내부에서 전자는 외부 회로를 통해 이동하고, 리튬이온은 전해질을 통해 양극과 음극을 오가며 충전 및 방전 과정을 수행한다.

• 방전 시 (에너지 공급 과정)
  • 음극에서 리튬 원자가 산화하여 리튬이온 (Li⁺)과 전자 (e⁻)를 방출
  • 전자는 외부 회로를 통해 양극으로 이동하여 전류를 생성
  • 리튬이온은 전해질을 통해 양극으로 이동하여 양극 물질에 삽입됨 (리튬이온 삽입 반응)
• 충전 시 (에너지 저장 과정)
  • 외부 전원에서 공급된 전자가 양극에서 음극으로 이동
  • 리튬이온이 양극에서 전해질을 통해 음극으로 이동하여 흑연 층에 저장됨 (리튬이온 삽입 반응)

이러한 전자와 리튬이온의 이동 경로와 속도는 배터리의 성능을 결정하는 중요한 요소로, 높은 전도성을 가진 전해질과 분리막을 사용하여 최적화할 수 있다.

 

리튬이온 배터리의 화학 반응 (출처: 배터리 인사이드)

 

3. 전기화학적 특성

리튬이온 배터리는 높은 작동 전압(약 3.0V~4.2V), 높은 에너지 밀도, 낮은 자가 방전율 등의 전기화학적 특성을 가진다.

• 에너지 밀도 (Energy Density): 단위 부피당 저장할 수 있는 에너지가 높아 소형화가 가능함.
• 출력 밀도 (Power Density): 높은 출력 특성을 가지며 급속 충전 및 방전이 가능함.
• 사이클 수명 (Cycle Life): 충·방전 횟수가 증가해도 비교적 긴 수명을 유지함.
• 전압 특성: 안정적인 방전 전압을 유지하여 효율적인 전력 공급 가능.

리튬이온 배터리의 전기화학적 특성; 에너지 밀도 (출처: BNEF)

 

4. 주요 구성 요소 및 소재

리튬이온 배터리는 양극, 음극, 전해질, 분리막의 4가지 주요 요소로 구성되며, 각각의 소재에 따라 배터리의 성능이 달라진다.

• 양극 (Cathode)
  • 리튬 코발트 산화물 (LCO, LiCoO₂): 높은 에너지 밀도를 가지지만 비용이 높고 안전성이 낮음.
  • 니켈-망간-코발트 (NMC, LiNiMnCoO₂): 균형 잡힌 성능을 제공하며 전기차에 널리 사용됨.
  • 리튬인산철 (LFP, LiFePO₄): 안전성이 뛰어나고 수명이 길지만, 에너지 밀도가 낮음.
  • 리튬망간산화물 (LMO, LiMn₂O₄): 열 안정성이 뛰어나며, 중형 전자기기에 사용됨.
• 음극 (Anode)
  • 흑연 (Graphite): 가장 널리 사용되며 안정적인 충방전 특성을 가짐.
  • 실리콘 기반 음극: 높은 에너지 밀도를 가지지만 부피 변화가 크다는 단점이 있음.
  • 금속 리튬 (Lithium Metal): 이론적으로 가장 높은 에너지 밀도를 가지지만, 덴드라이트 형성 문제로 인해 연구 중.
• 전해질 (Electrolyte)
  • 유기 전해질 (리튬염 + 탄산 에스터 용매): 현재 가장 널리 사용됨.
  • 고체 전해질 (전고체 배터리): 안정성이 뛰어나지만, 이온 전도성이 낮음.
• 분리막 (Separator)
  • 폴리올레핀(Polyolefin) 소재: 열 안정성을 고려한 다층 구조로 제조됨.
  • 세라믹 코팅 분리막: 내열성을 강화하여 배터리 안전성을 높임.

 

전이금속 산화물이란?

전이금속 산화물은 전이금속과 산소의 화합물로 이루어진 물질로, 배터리의 양극 소재로 널리 사용된다. 전이금속은 다양한 산화 상태를 가질 수 있어 리튬이온과 결합 및 방출 과정에서 우수한 전기화학적 성능을 제공한다. 대표적인 전이금속 산화물로는 리튬 코발트 산화물 (LiCoO₂), 리튬 망간 산화물 (LiMn₂O₄), 니켈-망간-코발트 산화물 (NMC) 등이 있다.

 

5. 크기와 모양에 따른 리튬이온 배터리 분류

리튬이온 배터리는 사용 환경과 목적에 따라 다양한 형태로 제조된다.

• 원통형 배터리 (Cylindrical Cell)
  • 18650, 21700 등의 규격이 있으며, 노트북과 전기차 배터리 모듈에 사용됨.
  • 기계적 강도가 우수하고 생산이 용이함.
• 각형 배터리 (Prismatic Cell)
  • 내부 공간 활용도가 높아 전기차, 에너지 저장 시스템(ESS)에 사용됨.
  • 열 관리가 용이하지만 제조 공정이 복잡함.
• 파우치형 배터리 (Pouch Cell)
  • 가볍고 유연한 구조로 스마트폰, 드론 등에 사용됨.
  • 내부 압력으로 인해 팽창 가능성이 있으며, 외부 충격에 약함.
• 소형 배터리 (Samll-Format Battery)
  • 크기와 용량이 작고 주로 모바일기기, 노트북 등에 쓰이는 휴대성이 용이한 배터리. 
  • 일부 자동차 용으로 사용되기도 한다.
• 중대형 배터리 (Large-Format Battery)
  • 전기차와 대형 에너지 저장 시스템에서 사용되며, 고용량으로 제작됨.
  • 주로 각형 배터리가 이에 속한다. 

리튬이온 배터리는 지속적인 연구 개발을 통해 성능 향상과 가격 절감을 이루고 있으며, 차세대 배터리로의 전환도 활발히 진행되고 있다.

배터리 폼팩터별 비교 (출처: LG에너지솔루션, 삼성SDI, SK, 조선Biz)