최근 대형 가전 회사에서 앞다투어 스틱형 무선청소기를 출시하고 있다. 어린이도 사용할 수 있을 만큼 가벼우면서도 흡입력이 뛰어나 많은 사랑을 받고 있다는 게 그 이유이다. 이러한 무선청소기가 세상에 나올 수 있었던 데에는 리튬이온 배터리가 한 몫 했다.
다른 배터리에 비해 가볍고 높은 에너지 밀도로 고용량·고효율 구현이 가능한 리튬이온 배터리는 소형 가전, IT 디바이스부터 전동공구, ESS, 전기차까지 두루 쓰이고 있다. 이처럼 다양한 용도의 리튬이온 배터리, 그 속을 알아보자.
리튬이온 배터리의 4대 구성요소 - 양극, 음극, 전해액, 분리막
리튬이온 배터리는 크게 4개의 구성요소로 이루어진다. 양극, 음극, 전해액, 분리막이 바로 그 주인공이다. 이들 중 하나라도 빠지면 배터리 역할이 불가능한 필수적인 존재들이라 4대 핵심요소라고 한다.
‘리튬이온’ 배터리는 리튬의 화학적 반응으로 전기를 생산하는 배터리다. 그래서 당연히 리튬이 들어가게 되는데 그 공간이 바로 ‘양극’이다. 하지만 리튬은 원소 상태에서는 반응이 불안정해서 리튬과 산소가 만난 리튬산화물이 양극에 사용된다. 리튬산화물처럼 양극에서 실제 배터리의 전극 반응에 관여하는 물질을 ‘활물질’이라고 부른다. 즉, 리튬이온 배터리의 양극에서는 리튬산화물이 활물질로 사용된다.
리튬이온 배터리의 용량과 전압을 결정하는 '양극'
양극을 조금 더 자세히 살펴보면, 양극의 틀을 잡아주는 얇은 알루미늄 기재에 활물질과 도전제 그리고 바인더가 섞인 합제가 입혀져 있다. 활물질은 리튬이온을 포함하고 있는 물질이고 도전제는 리튬산화물의 전도성을 높이기 위해서 넣고, 바인더는 알루미늄기재에 활물질과 도전제가 잘 정착할 수 있도록 도와주는 일종의 접착 역할을 한다.
이렇게 만들어진 양극은 배터리의 특성을 결정짓는 중요한 역할을 한다. 어떤 양극활물질을 사용했느냐에 따라 배터리의 용량과 전압이 결정되기 때문이다. 리튬을 많이 포함했다면 용량이 커지게 되고, 음극과 양극의 전위차가 크면 전압이 커진다
일반적으로 음극은 종류에 따라 전위의 차이가 작은데 반해 양극은 상대적으로 차이가 크기 때문에 양극이 배터리 전압을 결정짓는 데 중요한 역할을 한다.
전자를 도선으로 내보내는 '음극'
음극 역시 양극처럼 음극 기재에 활물질이 입혀진 형태로 이루어져 있다. 음극 활물질은 양극에서 나온 리튬이온을 가역적으로 흡수/방출하면서 외부회로를 통해 전류를 흐르게 하는 역할을 한다. 배터리가 충전상태일 때 리튬 이온은 양극이 아닌 음극에 존재하는데, 이 때 양극과 음극을 도선으로 이어주면(방전) 리튬 이온은 자연스럽게 전해액을 통해 다시 양극으로 이동하게 되고, 리튬이온과 분리된 전자(e-)는 도선을 따라 이동하면서 전기를 발생시킨다.
음극은 구리 기재 위에 활물질, 도전제, 바인더가 입혀진다. 음극에는 대부분 안정적인 구조를 지닌 흑연(Graphite)이 사용된다. 흑연은 음극 활물질이 지녀야 할 많은 조건들인 구조적 안정성, 낮은 전자 화학 반응성, 리튬 이온을 많이 저장할 수 있는 조건 및 가격 등을 갖춘 재료로 꼽히고 있다.
이온만 이동시키는 '전해액'
앞서 양극과 음극을 설명할 때 리튬 이온은 전해액을 통해 이동하고, 전자는 도선을 통해 이동한다고 했는데요, 이온은 전해액으로 이동하고, 전자는 도선으로 이동하게 하는 것이 배터리에서 전기를 사용할 수 있는 가장 중요한 포인트이다.
만약 전자가 도선이 아니라 전해액을 통해 이동하게 되면 전기를 사용할 수 없는 것은 물론이고, 안전성까지 위협 받게 된다. 전해액이 바로 그 역할을 수행하는 구성요소이다. 양극과 음극 사이에서 리튬 이온을 이동할 수 있도록 하는 매개체인 셈이다. 전해액은 리튬이온을 잘 이동시킬 수 있도록 이온 전도도가 높은 물질이 주로 사용된다.
전해액은 염, 용매, 첨가제로 구성되어 있다. 염은 리튬이온이 지나갈 수 있는 이동 통로, 용매는 염을 용해시키기 위해 사용되는 유기 액체, 첨가제는 특정 목적을 위해 소량으로 첨가되는 물질이다 이렇게 만들어진 전해액은 이온들만 전극으로 이동시키고, 전자는 통과하지 못하게 한다.
전해액의 종류에 따라 리튬이온의 움직임이 둔해지기도, 빨라지기도 한다. 그래서 전해액은 까다로운 조건들을 만족해야만 한다.
양극과 음극의 절대장벽 '분리막'
양극과 음극이 배터리의 기본 성능을 결정한다면 전해액과 분리막은 배터리의 안전성을 결정짓는 구성요소이다.
분리막은 양극과 음극이 서로 섞이지 않도록 물리적으로 막아주는 역할을 담당하고 있다. 전자가 전해액을 통해 직접 흐르지 않도록 하고, 내부의 미세한 구멍을 통해 원하는 이온만 이동할 수 있게 만든다. 즉, 물리적인 조건과 전기 화학적인 조건을 모두 충족시킬 수 있어야 한다. 현재 상용화된 분리막으로는 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP)와 같은 합성수지가 있다.
