이차전지의 원리와 소재 (양극 및 음극)

이번 게시물은 이차전지에 대한 내용입니다. 이차전지는 전기자동차, 5G 네트워크 등 차세대 기술에서 핵심적인 역할을 할 기술인데요. 지금부터 이차전지의 원리와 소재에 대해 알아보겠습니다.

 

1. 이차전지의 원리

충전 시에는 리튬코발트옥사이드에서 산화가 일어나서 리튬이 리튬이 온과 전자로 분리되고 음극인 그레파이트로 움직이게 된다. 이후 리튬 이온과 전자는 그래파이트에서 만나 환원되고 저장 되는 방식입니다.

 

방전 시에는 그래파이트의 리튬이 리튬 이온과 전자로 산화되고 다시 리튬코발트옥사이드인 양극으로 이동하여 환원되어 저장되는 방식입니다.

 

수백번 충방전이 가능하고 이후 구조적인 문제로 인하여 퇴하하여 수명이 줄어드는 것을 볼 수 있습니다.

 

2. 양극 소재

- 산화물 EX) LiCoO2, LiNiO2

층형의 형태로 존재하고 고출력, 고용량이라는 단점을 가지고 있으나 고온 고전압에서 생기는 구조 변화나 산소의 발생 문재로 인하여 수명이 다소 빠르게 줄어드는 단점을 가지고 있습니다.

 

- 인산염 EX)LiFePo4

올리빈 구조를 가지고 있고 다소 단단한 형태의 구조를 하고 있다. 고온 고압에서 안정서을 가지고 있으나 리튬이온 출입엣 다소 장애가 많아 낮은 출력량을 가지고 있고 낮은 작동 전압을 가지고 있다. 약 0.5V가 낮아 기전력이 낮아지고 에너지량이 작아지는 단점을 가지고 있다.

 

3. 음극 소재

- 그레파이트

그레파이트는 크게 인조흑연과 천연흑연으로 이루어진다. 인조 흑연은 good cycle과 낮은 비가역적인 충방전 수용력을 가지고 있지만 다소 비싸고 낮은 용량을 가지는 단점을 가지고 있다. 반면에 천연 흑연은 낮은 가격과 높은 용량을 수용할 수 있지만 낮은 기전력에 따라 에너지 효율이 낮아지는 단점을 가지고 있습니다.

 

- 비정질 카본

비정질 카본은 소프트카본과 하드카본으로 이루어집니다. 소프트카본은 고용량을 가지고 있으나 다소 수명이 짧다는 단점을 가지고 있습니다. 반면에 하드 카본 같은 경우 장수명과 고출력이라는 장점을 가지고 있으나 낮은 에너지 밀도라는 단점을 가지고 있습니다.

 

-합금 소재

고용량이라는 큰 장점을 가지고 있지만 충방전시에 생기는 부피변화에 따라 전극에서 크랙이나 고립되는 단점이 자주 발생하여 수명이 굉장히 짧다는 단점을 가지고 있다. 또한 충방전싱 싸이클 효율이 낮은 것을 보아 안정적인 에너지 사용에 문재가 될 수 있다는 단점을 가지고 있다.

 

- 산화물 소재

합금과 같은 치환 반응으로 일어나기 때문에 빠른 출력에는 단점을 가지고 있고 충방전시에 생기는 에너지 손실이 굉장히 커서 충전하는 에너지에 비하여 방전시 사용하는 에너지가 굉장히 낮다는 단점을 가지고 있다.