리튬 이온 전지

2011년 4월, 자동차용 전지를 생산하는 세계 최대의 공장이 청주에 세워졌다. 연간 10만대의 자동차에 필요한 리튬 이온 전지를 생산하여 공급하는 규모라 한다. 리튬 이온 전지는 납축전지, 니켈카드뮴, 니켈 수소 전지와 같이 2차전지이다. 2차전지는 방전과 충전을 반복해서 여러 번 사용할 수 있으며, 전기 자동차에는 물론, 로봇을 비롯하여 전동용 공구, 전력저장용 장치에 다양하게 사용될 수 있다.

 

2전기 및 하이브리드 자동차에 쓰이는 리튬 이온 전지. <출처: gettyimagekorea(좌), (cc) Tennen-Gas at Wikimedia.org(우)>

 

 

2차전지 = 충전하여 다시 사용할 수 있는 전지 전지는 자발적인 화학반응으로 생성되는 에너지를 전기에너지로 이용할 수 있도록 고안된 장치이다. 자발적인 화학반응이 진행될 때 전지는 방전(discharge)된다고 표현한다. 1차전지(primary battery)는 완전 방전된 후에는 다시 사용할 수 없어서 버린다. 그러나 2차전지(secondary battery)는 충전(charge)을 해서 다시 사용할 수 있다. 충전이란 전기에너지를 전지에 주입하여 방전할 때 일어나는 화학반응을 역으로 진행시키는 작업이다. 따라서 충전이 완료된 전지내부에는 자발적인 화학반응을 일으킬 준비가 완료된 화학물질이 들어있다.     리튬 이온 2차전지의 구성 리튬 이온 전지 역시 다른 전지와 마찬가지로 2개의 전극(+, -극), 분리막, 전해질로 구성되어 있다. +극으로 이용되는 전극물질은 리튬 이온이 쉽게 들락거릴 수 있는 공간을 포함하는 결정 구조(crystal structure)를 지녀야 되고, 산화와 환원이 될 수 있는 금속 이온이 포함되어 있는 특징을 가지고 있다. 금속이온이 포함된 산화물, 인산염 들이 +극에 알맞은 특징을 지니고 있다. 대표적인 +극으로 사용되는 물질로는 리튬코발트산화물(LiCoO2), 리튬철인산염(LiFePO4), 리튬망간산화물(LiMn2O4) 등이 있다. 성질이 다른 금속이온을 첨가하여 만든 복합물질들이 순수한 물질보다 전지의 성능이 우수하다는 연구결과들이 계속 발표되고 있다.   -극으로 이용되는 전극물질은 금속 리튬, 흑연(graphite)등이 있다. 또한 리튬티탄(lithium-titanate) 결정, 실리콘-흑연 복합물(composite)을 –극으로 사용한 전지들이 개발되기도 하였다. 리튬 금속을 –극으로 사용하면 충/방전을 반복할 때 본래의 전극 모양을 유지하기 힘들고, 그 결과 +극과 접촉이 되면 전지가 망가진다. 흑연 혹은 결정 격자를 가진 물질을 이용하여 이런 문제를 해결하기도 한다. 충전할 때 결정격자 내에 금속 리튬을 석출하면 –극의 전극 모양을 유지할 수 있고 +극과의 접촉으로 인한 전지 파괴 문제도 해결할 수 있기 때문이다. 또한 나노 크기의 결정을 이용하면 전극면적을 넓히면 충방전의 속도 증가, 에너지 밀도의 상승과 같은 효과가 나타난다. 그렇지만 전극물질이 달라지면, 충방전 속도도 달라지고, 전압과 용량이 변할 수 있다.   전지 내부에는 2개의 전극 외에도 전해질(electrolyte)과 분리막(separator)이 있다. 전해질은 리튬 이온 염(예: LiPF6)을 물이 전혀 없는 유기용매에 녹인 것을 사용한다. 전해질에 물이 있다면 리튬 금속과 폭발적인 반응이 일어나므로 전지를 사용하기도 전에 망가진다. 또, 전기가 통하지 않는 고분자 분리막으로 +극과 -극이 직접 접촉이 되는 일을 막는다. 만약에 분리막이 없으면 +극과 -극이 직접 접촉되고, 소위 말하는 쇼트가 일어나 전지를 사용할 수 없다.

 

2차전지의 구조.

 

 

왜 리튬 이온 전지인가? 리튬을 포함하는 알칼리금속에 속하는 금속들은 쉽게 전자를 잃어 버리고 양이온이 되려는 경향이 강하다. 그 금속들이 양이온이 되려는 경향은 유사하며, 정량적인 단위로 표시하면 약 -3볼트(voltage) 정도가 된다. 그러므로 적절한 +극과 짝을 이루어 전지를 구성한다고 3볼트 이상의 전압을 얻을 수 있다. 왜냐하면 전지의 전압은 두 개의 전극(+, -극)이 나타내는 전압의 차이(difference)이기 때문이다. 보통 전지의 전압은 기껏해야 약 1.3-2볼트 정도이지만, 리튬이 포함된 전지는 3볼트 이상의 전지를 만들 수 있다. 더구나 리튬 이온은 다른 금속이온에 비해 작고 가볍다. 리튬 이온은 크기가 다른 알칼리금속이온의 크기보다 작기 때문에 전극물질이 구성하고 있는 격자 사이로 이동하는 것도 수월하다. 또한 가벼운 리튬 이온을 활용하면 단위 무게당 큰 에너지(에너지 밀도)를 얻는 것이 가능한 것이다. 다른 알칼리금속 보다 리튬을 선호하는 것은 이런 이유이다.

 

리튬 이온 전지는 휴대폰, 노트북 등 디지털 기기에 두루 쓰인다. <출처: (cc) solomon203 at wikimedia.org(좌) Kristoferb at wikimedia.org (우)>

 

 

충·방전할 때 리튬 이온의 이동방향 필요한 장치에 전지를 연결하면 전지 내부에서는 자발적인 화학반응, 즉 방전이 시작된다. 이때 –극에서는 전극물질에 포함된 리튬 금속이 산화되어 리튬 이온이 생성되는 산화반응이 자발적으로 일어난다. -극에서 리튬 이온과 함께 생성된 전자는 전선을 통해서 +극으로 이동하고, +극의 전극물질에 포함된 금속이온을 환원시킨다. 그 결과 전해질 속의 리튬 이온이 +극으로 흡수된다. 금속이온이 환원되어 줄어드는 +전하의 양 만큼 리튬 이온(+1의 전하를 띠고 있다.)이 채워지면서 보충되는 것이다. 이때 리튬 이온은 +극으로 사용되는 층간 삽입(intercalation) 물질 사이 사이로 들어간다. 반면에 충전할 때는 +극에 포함된 금속이온이 산화되고, 그 결과 증가하는 +전하의 양만큼 리튬 이온이 +극으로부터 방출된다. -극에서는 리튬 이온이 환원되어 리튬 금속이 되면서 본래의 –전극 물질 상태로 되돌아 간다.

 

향후 전기 자동차의 증가로 리튬 이온 전지의 수요가 늘어날 것으로 예상한다. 사진은 리튬 이온 전지를 사용하는 자동차에 탄 버락 오바마 미 대통령.

 

 

전망과 기대 향후 전기 자동차용 리튬 이온 전지 시장 규모가 크게 늘어날 것으로 전망하고 있다. 전지를 구성하는 +극, -극, 분리막, 전해질 등 모든 구성요소의 성능이 최대로 발휘되는 설계와 제조가 있어야 우수한 성능을 지닌 전지를 만들 수 있다. 리튬 이온 전지를 둘러싼 산업계의 시장 점유율 경쟁 못지 않게, 새로운 개념이나 물질의 전지를 만들려는 연구열기 또한 뜨겁다. 전지에 필요한 각종 원천기술, 재료 연구와 개발에 참여한 과학기술자들이 흘린 땀과 노력에 걸 맞는 부와 명예가 돌아가길 바래본다.

 

 

 

글 여인형 / 동국대 화학과 교수

서강대학교 화학과를 졸업하고, 미국 아이오와 주립대학교에서 박사학위를 받았다. 현재 동국대 화학과 교수이다. <퀴리 부인은 무슨 비누를 썼을까?>를 썼고, <화학의 현재와 미래>를 대표 번역하였다.

이미지 gettyimages/멀티비츠

발행일  2011.06.23