리튬이온전지의 원리및 전기차별 베터리의 사용

1991년 소니에서 처음으로 생산되기 시작한 리튬 이온 베터리 (lithium ion battery)가 2017년으로 출시 25년을 맞이합니다. 리튬이온베터리의 탄생으로 인해 각종 전자기기의 소형화 뿐만 아니라, 전기 자동차까지 등장했다고해도 과언이 아닙니다. 이번 포스팅을 통해 리튬이온 베터리에 대해 간략히 알아 보려 합니다. 

먼저 리튬이온베터리가 다른 베터리에 비해서 장점이 무언인가 입니다. 아래 그림에서 보시다시피, 기존의 베터리인 Ni-Mh, Ni-Cd에 비해 리튬이온 베터리의 출력 밀도(Power Density), 에너지 밀도(Energy Density) 가 높습니다. 참고로, 흔히 저렴하게 구입가능한 알칼라인, 망간 베터리는 1차 전지로 재충전이 불가능합니다. 다른 장점에 비해 이점을 꼽은 이유는 단위에서 확인 할 수 있습니다. 전기차(Tesla Model S 기준) 약4,500lb(2000kg)중 베터리 팩의 무게가 1200lb(540kg) 정도로 많은 부분을 차지합니다. 그러므로 적은 베터리 무게로 많은 에너지와 파워를 낼수 있는 베터리 혹은 무언가가 필요하기 때문에 리튬 이온 베터리가 각광을 받고 있는 것입니다.

[출처 : Clean Energy Wiki] 

그럼 리튬 이온 베터리는 어떤 원리로 움직이는 가에 대해 간단히 짚어 보겠습니다. 리튬이온 베터리는 환원전극양극(Cathode), 산화전극음극(Anode), 분리막(Separator), 전해질(Electrolyte) 전극(Current Collector)으로 구성되어 있습니다. 리튬이온이 충전(Charging)시 Cathode에서 Anode으로, 방전(Discharging)시 Anode에서 Cathode으로 이동합니다. Anode로는 그래파이트가(LiC6)가 주로 사용되고, Cathode로는 다양한 리튬 화합물이 사용됩니다. 현재 대부분의 연구가 Cathode에 집중되고 있는데, 이는 Cathode의 종류에 따라 베터리의 특징이 결정된다고해도 과언이 아니기 때문입니다.

*2차 전지에서의 용어 혼동이 있어서 양극을 환원전극, 음극을 산화전극으로 수정합니다. 혼동되는 용어에 대해서는 아래 블로그에 설명이 잘되어있습니다.

https://m.blog.naver.com/PostView.nhn?blogId=myoake&logNo=110074008725&proxyReferer=https%3A%2F%2Fwww.google.com%2F

[출처 : R. J. Kee, H. Zhu, J. Berger, A. Wiedemann, V. Malavé, S. Barnett, and Z. Liu, "Microstructural transport and chemistry within Li-ion battery cathodes,” 2013.]

현재 많이 쓰이고 있는 Cathode로는 LCO(LiCoO2), LTO(Li4Ti5O12), LMO(LiMn2O4), NMC(LiNi(1-x-y)MnxCoy), NCA(LiNi0.8Co0.15Al0.05)가 있습니다. 쉽게 알아보기위해 현재 출시되어있는 전기 자동차별 베터리를 알아보기위해 아래의 테이블을 발췌하였습니다. 

[출처 : George E. Blomgren, "The Development and Future of Lithium ion battery", Journal of The Electrochemical Society, A5019 (2017)]

가장 선두주자인 테슬라(Tesla)는 파나소닉과 함께 베터리를 생산하는데, NCA를 사용하고있고, 한국의 기업들(삼성, SK Innovation, LG 화학)이 NMC를 이용하여 기아(Kia), 피아트(Fiat), 포드(Ford)에 납품을 하고 있는것을 알수 있습니다. 또한 일본 기업들(파나소닉, 도시바)의 베터리 생산도 꾸준히 이어지고 있음을 볼 수 있습니다. 위 표의 마지막 열에서 알수 있듯이, 테슬라의 주행거리가 다른 업체의 베터리 주행거리에 비해 압도적임을 알 수 있습니다. 

이번 포스트에서 리튬이온 베터리를 양극(Cathode)를 중심으로 알아보았습니다. 상용화가 되었지만 아직도 특정조건에서의 Cathode내 크랙(Crack), 열폭주(Thermal Runaway)등의 문제가 있으므로 많은 연구가 필요한게 사실입니다. 하지만 처음 상용화된지 25년 밖에 안된 리튬이온베터리는 향후 10년을 좌지우지할 파워소스임은 확실해 보입니다.

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아래 자료에서는 베터리 팩 형태 (Cell shape)와, 전기차 (or 하이브리드차) 에 어떤 형태로 베터리가 설치되어있는지 잘 보여주고 있습니다. 베터리 업체는 TESLA에 납품하는 Panasonic/Sanyo 대 다른 업체들 (Samsung SDI, LG Chem, AESC, GS Yuasa)로 볼 수 있겠네요.

[출처 : Elwart et al., "Current Developments and Challenges in the Recycling of Key Components of (Hybrid) Electric Vehicles", Recycling, 2016.]