2차 전지의 개요와 역사, 원리, 구조, 종류와 특성, 전망

출처 포스코홀딩스

 

축전지(storage battery), 충전지(rechargeable battery, 충전식 전지) 혹은 배터리라고 부르는, 외부의 전기 에너지를 화학 에너지의 형태로 바꾸어 저장해 재사용할 수 있게 만든 전지이다. 이번 글에서는 2차 전지의 개요와 역사, 원리, 구조, 종류와 특성 그리고 전망에 대하여 알아볼 것이다.

 

2차 전지의 개요와 역사

2차 전지란 이름은 전지를 두 번(또는 그 이상) 쓸 수 있다는 뜻이 아니라 1차전지(소재만 연결하면 전지가 되는 것)가 있어야 그것으로 충전시켜 전지를 만들 수 있었기 때문에 2차라는 이름이 붙었다. 발전기가 발명되어 전지로 전지를 충전하는 뻘짓은 이젠 안 하게 되었지만, 조립만 하면 간단히 만들 수 있는 전지(1차)와 충방전을 반복하면서 재사용할 수 있는 전지(2차)라는 용도로 적절하게 사용되어 왔다. 재사용이 불가능한 1차 전지보다 경제적이고 환경 친화적이다. 우리 주변의 흔한 AA 또는 AAA 건전지로 비교해보면, 충전지의 가격은 1회용 건전지보다 몇 배~몇 십 배까지 비싸지만 상업용으로 판매되는 제품의 경우 대개 500회 이상의 재사용을 보장한다. 1차 전지에 무리하게 충전을 시도할 경우, 충전이 아니라 엉뚱한 물질이 생성되거나 파괴가 일어나며, 누액이 발생하거나 심지어는 폭발할 가능성도 있으니 주의해야 한다. 1차 전지에 충전하지 말라는 주의사항이 괜히 있는 것이 아니다. 2차 전지의 탄생은 알레산드로 볼타가 볼타 더미로 알려진 최초의 전지를 발명한 1800년대로 거슬러 올라간다. 이 초기 배터리는 기본 배터리였는데, 이는 에너지가 고갈되면 재충전할 수 없다는 것을 의미한다. 연구원들이 충전식 배터리를 개발하기 시작한 것은 1800년대 후반과 1900년대 초반이었다. 1859년 프랑스의 물리학자 가스통 플랜테는 납과 산화납 전극, 황산 전해질을 사용하는 최초의 실용적인 납축전지를 개발했다. 이 배터리는 방전 반대 방향으로 전류를 통과시켜 재충전할 수 있다. 1960년대에 존 B. 옥스포드 대학의 Goodenough와 그의 팀은 이전의 충전식 배터리보다 더 높은 에너지 밀도와 더 긴 수명을 제공하는 최초의 리튬 이온 배터리를 개발했습니다. 이러한 획기적인 발전은 니켈-금속 수소화물(NiMH)과 리튬-폴리머(LiPo) 배터리를 포함한 많은 현대적인 충전식 배터리 기술의 개발을 위한 길을 열었다. 오늘날, 충전식 배터리는 스마트폰과 노트북과 같은 휴대용 전자 장치에서부터 전기 자동차와 에너지 저장 시스템에 이르기까지 광범위한 응용 분야에서 사용된다. 2차 전지 기술의 지속적인 발전과 개선은 현대 세계에 보다 깨끗하고 효율적인 에너지원으로 동력을 공급하는 것을 가능하게 했다.

 

2차 전지의 원리

2차 전지의 기본 원리는 가역적인 전기화학 반응에 기초한다. 배터리가 충전되면 배터리에 전기 에너지가 가해져 역반응이 일어나게 된다. 이는 방전 과정에서 발생한 화학적 변화를 반전시켜 배터리의 원래 상태를 회복시킨다. 그 결과, 배터리는 여러 번 재사용될 수 있다. 2차전지는 일반적으로 두 개의 전극(음극과 양극)과 전극 사이에서 이온이 이동할 수 있는 화학 용액인 전해액으로 구성된다. 충전 중 배터리에 가해지는 전기 에너지는 전해질을 이온으로 분해하게 한다. 양이온(cation)은 음극(양극)에 흡인되고, 음이온(anion)은 양극(음극)에 흡인된다. 그런 다음 이온이 전극 물질과 반응하여 배터리에 에너지가 축적된다. 방전 중에는 프로세스가 반대로 진행된다. 이온은 전해질을 통해 반대쪽 전극으로 다시 이동하여 저장된 에너지를 전류로 방출한다. 이 전류는 장치에 전원을 공급하거나 다른 배터리를 충전하는 데 사용될 수 있다.

 

2차 전지의 구조

1. 전극: 전지는 양극(양극)과 양극(음극)의 두 전극을 포함한다. 이러한 전극들은 일반적으로 가역적인 전기화학 반응을 겪을 수 있는 물질들로 이루어져 있다.

2. 전해질: 전극 사이에서 이온이 이동할 수 있도록 하는 화학 용액이다. 그것은 일반적으로 이온을 포함하는 액체, 젤 또는 고체 물질로 만들어진다. 전해질은 배터리가 에너지를 저장하고 방출할 수 있게 해주기 때문에 중요한 구성 요소이다.

3. 분리막: 음극과 양극을 분리하여 단락을 방지하는 다공성 막이다. 이온의 통과는 허용하지만, 전극이 접촉하여 전지 외부로 방전을 일으키는 것은 방지한다.

4. 전류 수집기: 집전체는 전극과 외부 회로를 연결하는 금속 스트립 또는 와이어이다. 이를 통해 전자가 전극을 통해 전원 장치로 이동하거나 배터리를 충전할 수 있습니다. 충전 중에는 배터리에 전기 에너지가 인가되어 이온이 전해질에서 전극으로 이동하게 된다. 이 과정은 방전 시 발생한 전기화학적 반응을 반전시켜 전지에 에너지를 저장한다. 배터리가 방전되면 공정이 역전되어 저장된 에너지가 전류로 방출된다.

 

2차 전지의 종류와 특성

2차전지는 여러 종류가 있으며, 각각 고유한 특성과 용도를 가지고 있다.

1. 리튬 이온(Li-ion) 배터리: 이러한 전지는 스마트폰, 노트북 등의 휴대용 전자기기뿐만 아니라 전기자동차, 신재생에너지 저장시스템 등에 널리 사용되고 있다. 높은 에너지 밀도, 낮은 자가 방전 속도 및 긴 사이클 수명을 제공합니다.

2. 니켈 수소화물(NiMH) 배터리: 이러한 배터리는 일반적으로 충전식 가전제품 및 하이브리드 차량에 사용됩니다. 니켈-카드뮴 전지보다 높은 에너지 밀도를 제공하지만 사이클 수명은 짧다.

3. 니켈-카드뮴(NiCd) 배터리: 이러한 배터리는 한때 휴대용 전자 장치와 전동 공구에 널리 사용되었지만, 대부분 더 새로운 기술로 대체되었다. 니켈 수소 전지보다 에너지 밀도가 낮고 독성 카드뮴을 사용하기 때문에 환경 친화적이지 않다.

4. 납축전지: 이러한 배터리는 백업 전원 시스템, 골프 카트 및 많은 양의 전력을 필요로 하는 기타 애플리케이션에 일반적으로 사용된다. 에너지 밀도는 낮지만 상대적으로 저렴하고 사이클 수명이 길다.

5. 유동 배터리: 이러한 배터리는 재생 에너지 설치에 사용되는 것과 같은 대규모 에너지 저장 시스템에 사용된다. 탱크 및 셀 시스템을 통해 흐르는 액체 전해질에 에너지를 저장하여 확장 가능하고 유연한 에너지 저장 솔루션을 제공합니다.

6. 나트륨 이온 배터리: 이러한 배터리는 리튬 이온 배터리에 대한 저렴하고 환경 친화적인 대안을 제공하는 새로운 기술이다. 그것들은 아직 개발 초기 단계에 있으며 아직 널리 이용할 수 없다.

 

전망

탄소 배출을 억제하여 지구 온난화를 줄이기위해서는 신재생 에너지, 자동차의 전기화와 에너지의 사용 효율 향상이 필수적이다. 이에 따라서 녹색에너지인 태양광 발전 및 풍력발전을 확대하고 전기자동차개발 및 보급을 서둘러야 한다. 그에 따라 2차 전지는 전기자동차 시장의 성장을 위해 필수적이며, 이는 앞으로도 급속한 성장을 지속할 것으로 예상된다.