[이코노믹리뷰=김동규 기자] 리튬이온 배터리는 현재 사용되는 배터리 중 가장 널리 쓰이는 배터리로 알려져 있다. 스마트폰, 노트북부터 전기자동차, 전기자전거, ESS(에너지저장장치)까지 리튬이온 배터리는 우리 생활속 다양한 분야에서 사용되고 있다.

말 그대로 에너지를 저장해주는 배터리 덕분에 우리는 유선이 아닌 무선 기기들을 사용할 수 있다. 아이폰이 처음 나왔을 때는 배터리 용량이 작아 어디든 콘센트만 보이면 아이폰을 꽂아 충전을 하는 모습을 볼 수 있었다. 스마트폰이 세상에 등장한지 10년이 넘어가면서 배터리 용량도 증가해 과거만큼 충전에 목숨거는 일은 줄어들고 있다. 전기차에서도 최근에는 한 번 충전시 500km이상 주행이 가능한 배터리도 등장했다. 그렇다면 리튬이온 배터리는 어떻게 구성돼 있고, 어떤 원리로 작동할까.

리튬이온 배터리의 4대 구성요소는?

리튬이온 배터리의 4대 구성요소는 양극, 음극, 전해액, 분리막이다. 양극에는 리튬이 산소와 결합해 산화물 형태로 양극에 자리잡고 있는데 이를 ‘양극활물질’이라고 부른다. 양극에는 양극의 틀을 잡아주는 얇은 알루미늄 기재에 활물질과 도전제 바인더가 섞인 합제가 입혀져 있다. 도전제는 리튬산화물의 전도성을 높여 주고, 바인더는 알루미늄 기재에 활물질과 도전제가 잘 정착할 수 있도록 해 준다.

양극은 배터리의 성능과 특성을 결정짓는데 중요한 역할을 한다. 양극활물질에 따라 배터리의 용량과 전압이 결정된다. 양극활물질은 니켈, 코발트, 망간등을 섞은 일명 NCM활물질이 많이 사용되는데 니켈의 비중을 높일수록 에너지밀도가 높아진다.

음극도 양극처럼 음극 기재에 활물질이 입혀진 형태로 이뤄져 있다. 음극은 구리 기재 위에 활물질, 도전제, 바인더가 입혀진다. 음극재의 원료는 안정성을 이유로 주로 흑연이 사용된다. 음극 활물질은 양극에서 나온 리튬이온을 흡수·방출하면서 외부회로를 통해 전류를 흐르게 하는 역할을 한다.

충전상태일 때 리튬 이온은 음극에 존재하는데 이때 양극과 음극을 도선으로 이어주면 리튬 이온은 전해액을 통해 양극으로 이동하고, 리튬이온과 분리된 전자는 도선을 따라 이동하면서 전기를 발생시킨다.

전해액은 리튬이온을 통과시키는 매개물질이다. 전자는 도선으로 이동하게 하고, 이온은 전해액으로 이동하게 하면서 리튬이온 배터리의 전기를 사용할 수 있다. 전자가 만약 전해액을 통해 이동한다면 전기는 사용할 수 없고, 안전성에도 위협이 된다. 이런 이유에서 전해액은 리튬이온을 잘 이동시킬 수 있게 하는 이온 전도도가 높은 물질이 주로 사용된다.

보통 전해액은 염, 용매, 첨가제로 구성돼 있다. 염은 리튬이온이 지나가는 통로로 활용되고, 용매는 염을 용해시키기 위해 사용되는 유기 액체다. 첨가제는 특정 목적을 위해 소량으로 첨가되는 물질이다.

분리막은 말 그대로 양극과 음극 사이에 있는 막으로 양극과 음극이 직접 섞이는 것을 막아주는 역할을 한다. 전자가 전해액을 통과할 수 없게 하고, 내부의 미세한 구멍을 통해 원하는 이온만 이동할 수 있게 만들어 주는 물질이다. 이런 이유에서 분리막은 물리적 조건과 화학적 조건을 모두 충족시켜야 한다고 알려져 있다.

주로 분리막은 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP)과 같은 합성수지로 제작된다. 배터리 사이즈에 따라 분리막의 두께도 결정되는데 분리막이 너무 얇으면 안정성에 문제가 발생하기도 한다. 이런 이유에서 분리막에 세라믹을 코팅하는 등의 방식도 사용되고 있다.

리튬이온 배터리 어떻게 작동하나

리튬이온 배터리가 충전이 시작되면 양극에 있던 리튬이온과 전자가 음극으로 이동한다. 리튬 이온은 전해액을 통해서, 전자는 도선을 통해서 이동을 한다. 충전이 다된 후 방전 과정이 진행되면서 여러 리튬이온 배터리가 탑재된 기기들을 작동시키게 된다.

방전 과정은 음극으로 이동한 리튬이온과 전자가 양극으로 이동하면서 에너지를 방출하는 과정이다. 이런 과정이 반복되면서 우리는 일상생활 속에서 리튬이온 배터리를 사용하고 있다.