리튬이온 배터리(Li-ion Battery)
이차배터리(Secondary Battery)는 재충전이 가능한 배터리를 말하며, 전기 에너지를 화학 에너지로 저장 방출을 반복하는 기능을 한다. 주요 구성은 양극제, 음극제, 분리막 및 전해질 등으로 구성된다.
리튬이온 배터리(Li-ion Battery)
이차배터리(Secondary Battery)는 재충전이 가능한 배터리를 말하며, 전기 에너지를 화학 에너지로 저장 방출을 반복하는 기능을 한다. 주요 구성은 양극제, 음극제, 분리막 및 전해질 등으로 구성된다.
1. 개요
이차배터리(Secondary Battery)는 재충전이 가능한 배터리를 말한다. 즉, 사용 후에도 외부의 전기 에너지를 공급받아 화학 에너지 형태로 저장해 두었다가 필요할 때 전기를 만들어 내는 배터리를 말한다.
이차배터리는 여러 번 재사용할 수 있으며, 과거에는 축전지(Accumulator)로 불리었다. 이차배터리는 화학 에너지를 전기 에너지로 변환하는 과정을 반복할 수 있어 경제적이고 환경적으로도 이점이 있다.
대표적인 이차배터리는 리튬이온배터리(Lithium-Ion Battery, Li-ion Battery) , 니켈-카드뮴 배터리 (nickel–cadmium battery) , 니켈-수소 배터리(NiMH)등이 있다. 이차배터리는 휴대전화, 노트북, 전기 자동차, 이동식 전자 기기 등 다양한 곳에 사용된다.
이차배터리는 한 번 쓰고 버리는 일차배터리(Primary cell)에 비해 여러 번 충전할 수 있다는 장점은 있으나, 일차배터리에 비해 더 비싸고 내부 소재의 독성이 더 강한 편이다.
2. 이차배터리 셀 형태
파우치형 (Pouch Cell)
원통형 셀 (Cylindrical Cell)
각형 셀 (Prismatric Cell)
리튬이온배터리(Lithium-Ion Battery, Li-ion Battery)의 가장 일반적으로 사용되는 셀 형태는 파우치형, 원통형, 각형(프리즘형)이 있다.
1) 파우치형 (Pouch Cell)
파우치형 배터리는 유연한 폴리머 또는 알루미늄 래미네이트 필름으로 외부를 감싸는 구조로 만들어진다. 내부에는 양극제(Positive Electrode), 음극제(Negative Electrode), 분리막(Separator)이 층층이 쌓아 채우고 전해질(Electrolyte)을 주입하여 접착 완성시킨 파우치 모양의 배터리를 말한다.
2) 원통형 셀 (Cylindrical Cell)
원통형 배터리는 강철 또는 알루미늄 케이스로 셀을 보호하는 구조로 금속재 케이스 속에 양극재와 음극재 그 사이에는 분리막이 존재하는 형태로 두루마리 휴지처럼 돌돌 말려 케이스에 담긴 형태이다.
3) 각형 셀 (Prismatric Cell)
각형 배터리는 직사각형 금속 케이스에 담겨 있는 구조로 셀 내부는 파우치 형과 유사하게 양극제(Positive Electrode), 음극제(Negative Electrode), 분리막(Separator)이 층층이 쌓여있는 형태이며 그 사이에 전해질이 채워져 있는 구조이다.
3. 리튬이온배터리 (Lithium-Ion Battery, Li-ion Battery)의 주요 구성요소
양극제 (Anode)
음극제 (Cathode)
분리막 (Separator)
전해질 (Electrolyte)
1) 양극제 (Anode): 양극활물질로서 배터리의 용량과 전압을 결정
양극재는 리튬 금속 산화물로 구성된 소재로 배터리의 용량, 에너지 밀도, 출력, 안정성 등 주요 성능을 결정하며, 구성 물질에 따라 NCM(Li[Ni,Co,Mn]O2), NCA(Li[Ni,Co,Al]O2), LFP(LiFePO4) 등으로 구분된다.
양극재 개발은 에너지 밀도를 개선하는 동시에 고가의 코발트 사용을 줄일 수 있는 High-Ni 소재에 대한 기술 개발이 활발하게 이뤄지고 있다.
특히, 니켈 80% 이상의 High-Ni 양극재를 생산하며, 니켈 90% 이상의 양극재를 개발하고 있다. 또한 니켈 비중을 높일수록 수명이 줄어들고 안정성이 낮아지는 단점을 극복하기 위해 NCMA(NCM+Al) 등 High-Ni 양극재에 신규 소재를 도핑하는 방식도 등장하고 있다.
양극제는 리튬이온을 방출하여 음극으로 이동시키는 환원반응(Reduction Reaction)을 통해 방전시킨다. 일반적으로 리튬 금속 산화물과 Ni(니켈), Mn(망가니즈), Co(코발트), Al(알루미늄) 등이 적정 비율로 혼합된다.
여기서 Ni(니켈)은 에너지 밀도, Mn(망가니즈)는 구조적 안정성, Co(코발트)는 고출력 성능과 안정성, Al(알루미늄)은 내구성과 열적 안정성 등에 기여하게 된다.
양극제로 대표적으로 사용되는 혼합물질에는 리튬 코발트 산화물(LiCoO ₂), 리튬 인산철(LiFePO ₄) 또는 니켈 코발트 망간(NCM) 등이 있다.
(1) 리튬 코발트 산화물(LiCoO₂, LCO)
리튬 코발트 산화물(Lithium Cobalt Oxide, LiCoO₂)는 높은 에너지 밀도, 우수한 출력 특성 그리고 긴 수명 등으로 인해 초기 리튬 이온 배터리의 양극재로 널리 사용되었다. 반면 코발트 가격이 비싸고, 환경적으로 문제가 될 수 있다는 단점이 있다.
(2) 리튬 철 인산염(LiFePO₄, LFP)
리튬 철 인산염(Lithium Iron Phosphate, LiFePO₄)은 높은 안전성과 긴 수명이 장점이다. 특히 열적 안정성이 뛰어나고 폭발 위험이 적어 안전성이 중요한 분야에서 많이 사용된다. 반면 에너지 밀도가 낮아 배터리 용량이 상대적으로 적으며, 동절기에 취약한 단점이 있다.
(3) 리튬 니켈 코발트 망간 산화물(LiNiMnCoO₂, NCM 또는 NMC)
NCM(Nickel Cobalt Manganese) 양극제는 니켈(Ni), 코발트(Co), 망간니즈(Mn)의 혼합물로 이루어진다. 에너지 밀도가 높고 우수한 출력 특성 등 장점이 있다. 반면 열폭주 등 안정성이 상대적으로 낮다는 단점이 있다.
(4) 리튬 니켈 코발트 알루미늄 산화물(LiNiCoAlO₂, NCA)
NCA(Nickel Cobalt Aluminum) 양극재는 니켈(Ni), 코발트(Co), 알루미늄(Al)의 혼합물로 이뤄지며 NCM과 유사한 특성을 가진다.
2) 음극제 (Cathode): 음극활물질로서 양극으로부터 나온 리튬이온을 흡수/방출하면서 전기를 발생시키는 물질
음극재는 양극에서 나온 리튬이온을 흡수 방출하면서 외부회로를 통해 전류가 흐르게 하는 역할을 한다. 특히 기존의 천연흑연에서 인조흑연으로 대체되는 동시에 실리콘 첨가 등도 늘어나는 추세이다.
인조흑연은 천연흑연 대비 고가이나, 내부구조가 균일하고 안정적이므로 급속충전·수명연장에 유리하며, 실리콘은 흑연 대비 저장할 수 있는 리튬이온이 많으므로 에너지 밀도 향상에 유리하나 충·방전 시 부피 팽창이 심한 단점이 있어, 흑연과 혼합하여 사용된다
음극제는 양극에서 이동한 리튬이온을 저장하는 역할, 즉 충전시 리튬이온을 저장, 방전 시 리튬이온을 방출시키는 역할을 한다. 음극재로는 주로 탄소 기반의 재료가 사용되며, 가장 대표적인 음극재로는 흑연(Graphite), 실리콘(Silicon), 금속 리튬(Lithium Metal) 등이 사용된다.
(1) 흑연(Graphite)
가장 널리 사용되는 음극재로, 흑연 구조는 리튬이온을 층간에 삽입 및 저장할 수 있는 층상 구조를 가지며, 안정적인 충방전 성능을 제공한다. 가격이 저렴하고, 안정성은 높은 장점은 있다, 반면 충전 속도가 느리고 에너지 밀도가 상대적으로 낮다는 단점이 있다.
(2) 실리콘(Silicon)
실리콘은 흑연보다 에너지 밀도가 훨씬 높지만, 충방전 시 부피 팽창 문제가 있다. 이를 해결하기 위해 실리콘을 소량 혼합한 실리콘-흑연 복합체 등이 적용된다. 반면 사이클 수명 및 안정성이 낮은 단점이 있다.
(3) 리튬 금속(Lithium Metal)
리튬 금속 음극제는 매우 높은 에너지 밀도, 특히 열적 안정성이 높아 고속 충전이 가능하다는 장점이 있다 반면 충·방전 중 단락(short circuit) 가능성이 커, 안전성 문제가 있다.
3) 분리막 (Separator): 양극과 음극 활물질이 서로 섞이지 않도록 분리해주는 막(Membrane)
분리막은 배터리 성능을 직접적으로 결정하는 소재는 아니지만, 양극과 음극을 분리하여 화재 폭발 등 사고를 방지함과 동시에 리튬이온의 전극 간 이동을 가능하게 해주는 다공성 필름, 생산방식에 따라 건식분리막과 습식분리막으로 구분되며, 우리나라 배터리 3사는 습식분리막을 주로 사용하고 있으며, 최근에는 분리막의 고온 변형 문제를 해결하기 위해 습식분리막에 세라믹을 코팅하여 사용하기도 한다
리튬이온 배터리(Lithium-Ion Battery, Li-ion Battery)의 분리막(Separator, Membrane)은 양극과 음극을 물리적으로 분리하면서도 리튬이온이 양극과 음극 사이를 선택적으로 자유롭게 이동할 수 있도록 하는 중요한 구성 요소이다. 분리막의 역할은 건물이 벽과 같이 배터리 내부에서 단락(Short Circuit)을 방지하고, 동시에 리튬 이온이 이동할 수 있는 통로 역할을 한다.
(1) 리튬이온배터리 (Lithium-Ion Battery, Li-ion Battery) 분리막의 주요 역할
- (물리적 장벽 역할) 분리막은 양극과 음극 사이에 직접적인 접촉을 막는 물리적 장벽 역할을 한다. 이를 통해 단락을 방지하고, 배터리가 과열되거나 폭발하는 것을 예방한다.
- (이온 이동) 분리막은 리튬이온이 양극과 음극 사이를 이동할 수 있도록 하는 선택적 통로 역할을 한다. 분리막은 작은 미세한 구멍(기공)을 가지고 있어서, 리튬이온이 전해질을 통해 이동할 수 있지만 전자가 직접적으로 이동하는 것은 차단한다.
- (안전 기능, 전자 차단) 일부 고급 분리막은 배터리 온도가 과도하게 상승할 경우 기공을 닫아(thermal shutdown) 전해질을 차단하는 역할을 한다. 이를 통해 과열에 따른 위험을 줄이고 배터리 안전성을 향상한다.
(2) 분리막(Membrane)의 주요 재료
분리막은 주로 고분자 재료로 제조되며, 일반적으로 폴리올레핀(Polyolefin) 계열 물질이 사용된다.
- 폴리프로필렌(PP): 높은 열적 안정성과 기계적 강도 높은 장점이 있다.
- 폴리에틸렌(PE): 비교적 낮은 온도에서 녹아 기공을 닫아버리는 특성을 가지고 있어, 배터리 온도가 상승할 때 열 안전성이 우수한 장점이 있다.
4) 전해질 (Electrolyte): 전지 내부의 양극과 음극 사이에서 리튬이온이 이동할 수 있도록 매개체 역할을 하는 물질
전해질은 양극과 음극 사이에서 리튬 이온이 이동할 수 있도록 매개체 역할을 하는 물질로서 배터리의 안정성, 수명, 출력 등 다양한 성능에 영향을 줄 수 있으며 전해액의 종류 및 배합 비율을 달리하여 전지 성능 개선이 이뤄지고 있다.
배터리의 안정성 향상, 수명연장, 출력 개선 등을 위해 기존 전해질(LPF6)에 F전해질(LFSI), P전해질(LP<2F2) 등 다양한 첨가제 사용 등도 이뤄지고 있다.
리튬이온배터리(Lithium-Ion Battery, Li-ion Battery)의 전해질은 리튬 이온이 양극과 음극 사이를 이동할 수 있도록 하는 중요한 매개체이다. 주로 액체, 고체 또는 젤 형태로 사용된다.
(1) 리튬염(Lithium Salt)
리튬이온을 공급하는 물질로, 가장 일반적으로 사용되는 리튬염은 LiPF6 (육 불화 인산리튬)이다. 이 외에도 LiBF4, LiClO4 등이 사용된다.
(2) 유기 용매(Organic Solvent)
전해질의 이온 전도성을 높이기 위해 에틸렌 카보네이트(Ethylene Carbonate, EC), 디에틸 카보네이트(Diethyl Carbonate, DEC) 등이 사용된다.
(3) 첨가제(Additives)
전해질의 성능을 개선하기 위해 비닐렌 카보네이트(Vinylene Carbonate, VC) 등이 소량으로 포함된다
배터리의 원리
리튬이온 배터리는 양극(Cathode)재와 음극(Anode)재의 두 전극(Electrode), 전해질(Electrolyte) 그리고 양극재와 음극재가 서로 닿지 않게 해주는 분리막(Separator)으로 이뤄져 있다.
자동차를 움직일 수 있도록 충전하는 과정은 양극의 리튬이온이 전해질을 통해 음극으로 이동하고 전자는 외부회로를 통행 집전체(Current Collector)로 이동하는 화학적 반응을 통해 이뤄진다. 반면, 방전은 반대로 음극의 리튬 이온이 양극으로 되돌아가는 과정으로 이때 에너지를 방출(방전)하는 것이다.
이차전지의 원가 구성은 양극재 47%, 음극재 12%, 분리막 14%, 전해액 12% 기타 조립 등 15% 정도로 이차전지의 원가는 양극재인 리튬 가격에 크게 좌우된다.
삼원계(NCM) 배터리와 리튬인산철(LFP) 배터리
(1) 삼원계(NCM) 배터리
삼원계(NCM) 배터리는 양극재가 니켈(Ni)·코발트(Co)·망간(Mn)으로 구성된 산화물을 의미하며, 양극재를 구별할 때 622, 333 등의 숫자로 보실 수 있다. 여기서 숫자는 구성 성분비를 나타내며, 622의 경우 니켈 60%, 코발트 20%, 망간 20% 비율로 구성된 양극재임을 의미함
니켈(Ni)·코발트(Co)·망간(Mn)의 함량에 따라 양극재의 화학적 특성이 변하는데, 일반적으로 니켈 함량이 높을수록 용량은 높아지는 반면 소재의 열 안전성은 낮아지는 특성이 있음
삼원계 배터리는 LFP 배터리에 비해 에너지 밀도가 높아 주행거리가 길고 배터리 충전 시간이 짧은 반면, LFP 배터리보다 가격이 비싼 단점이 있음
LG, SK, 삼성 등 한국 업체들은 NCM 배터리는 주로 생산하고 있음
(2) 리튬인산철(LFP) 배터리
LFP 배터리는 양극재로 리튬 인산철(Li-FePO4)을 사용하는 배터리를 말하며, 배터리 가격이 저렴하고 수명이 길며 350도 이상의 고온에서도 폭발하지 않아 안정성이 높다는 장점이 있음.
단점으로는 에너지 밀도가 낮아 주행거리가 짧고, 순간 출력이 약하며 무게가 무겁다는 특징이 있음.
LFP 배터리는 주로 중국 업체들이 생산하고 있으며, 최근 기술 진화로 에너지 밀도가 향상되고, 전기차 가격 경쟁이 가열되면서 LFP 배터리를 탑재하는 글로벌 완성차 업체의 관심이 증가하고 있음.
배터리의 변천사
리튬이온의 원리에 관한 연구는 1970년대에 이뤄졌다. 엑손사 연구진은 음극재로 순수한 리튬을 사용했으나 폭발위험으로 리튬 알루미늄 합금으로 옮겨갔으나 한계에 봉착, 이후 일본의 요시노 아키라는 폴리아세틸렌을 연구하던 중 탄소 소재가 리튬과 잘 반응하여 에너지를 저장할 수 있다는 알아냈으며, 오늘날 음극재로 흑연이 사용되는 계기가 되었다.
음극재인 흑연은 탄소로 이뤄졌으며 1990년부터 현재까지 사용되고 있다. 탄소 음극재는 성능은 우수하지만, 배터리 부피의 절반 이상을 차지하는 문제를 가지고 있어 대체제로 주석(Sn), 이나 실리콘(Si) 등이 고려되고 있다.
양극재는 배터리 가격에 가장 큰 영향을 주는 만큼 매우 중요한 소재로 전자를 잘 전도하는 물질일수록 이온을 받아들이는 데 유리하여 에너지 밀도를 개선하는 동시에 고가의 코발트 사용을 줄일 수 있는 High-Ni 양극재 기술 개발이 활발하게 이뤄지고 있다.
이차전지와 일차전지 구분
(1) 이차전지
이차전지(Secondary cell)는 외부의 전기 에너지를 화학 에너지의 형태로 바꾸어 저장해 두었다가 필요할 때 전기를 만들어 내는 배터리로 과거에는 축전지(Accumulator)로 불리었다. 일반적으로 이차전지는 납 축전지, 니켈-카드뮴 전지(NiCd), 니켈-메탈 수소 전지(Ni-MH), 리튬 이온 전지(Li-ion), 리튬 이온 폴리머 전지(Li-ion polymer) 등이 있다.
이차전지는 한 번 쓰고 버리는 일차전지(Primary cell)에 비해 여러 번 충전할 수 있다는 장점은 있지만 일차전지에 비해 더 비싸고 내부 소재의 독성이 더 강한 편이다.
(2) 일차전지
일차전지는 전지 내의 전기 화학반응이 비가역적이기 때문에 한 번 쓰고 버리는 일회용 전지를 말하며, 시중에서 AAA, AA, A, B, C, D 등의 규격으로 생산․판매되고 있는 배터리로 이차전지에 비해 환경에 주는 독성 물질의 영향이 적다.
일차전지는 양극 또는 음극 어느 한쪽, 또는 양쪽 모두를 소진함으로써 수명을 다하는 구조로 이차전지에 비해 자연방전이 훨씬 느리게 일어나도록 제작되어 있다.
※ 참고 자료
- M. 스탠리위팅엄, 거브랜더시더, 강기석, 최장욱(2021)“배터리의 미래” 최종형 학술원
- 신유리(2021) “전기차용 이차전지의 시장 트렌드 및 기술 개발 동향” KDB미래전략연구소
- 정원석(2022) “이차전지 산업 현황 및 전망” 하이투자증권
출처 [Roplant 이차전지(Secondary battery) 기술 및 미래 전망]
선진상사는
사업장 비배출 시설계 폐기물 관련 허가업체로서
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