이젠 석유가 아닌 리튬 전쟁, 2차전지는 왜 리튬일까?

오늘은 2차전지와 리튬에 관해 포스팅 해보려고 합니다. 2차전지는 충전식 배터리라고도 하는데요. 여러 번 충전 및 방전할 수 있는 배터리 유형입니다. 일회용으로 설계된 1차 전지와 달리 2차 전지는 배터리 충전기나 태양열 패널과 같은 외부 전력시설을 사용하여 충전할 수 있습니다.

 

하얀 석유 리튬 <그림 출처 : http://dimg.donga.com>

2차 전지에는 여러가지 유형이 있는데요.

 

납 축전지(Lead-acid batteries): 이 방식의 배터리는 보통 자동차와 운송수단에 사용됩니다. 상대적으로 저렴하고 출력이 높은 반면에 무겁고 수명이 상대적으로 짧은 것이 단점입니다

 

니켈-카드뮴(NiCad) 전지: 이 방식의 배터리는 일반적으로 스마트폰 기기 및 전동 공구와 같은 휴대용 전자 제품에 사용되어 왔습니다. 내구성이 뛰어나고 에너지 밀도가 높으며 빠르게 충전할 수 있지만 메모리 효과(충분히 방전되지 않은 상태에서 다시 충전할 경우 전지의 실제 용량이 줄어드는 현상)를 겪을 수 있고 상대적으로 수명이 짧습니다.

 

니켈 수소NiMH(Nickel-metal hydride) 전지: 이 방식의 배터리는 일반적으로 하이브리드 차량 및 휴대용 전자 장치에 사용됩니다. NiCad 배터리보다 에너지 밀도가 높고 메모리 효과가 적고 수명이 길지만 가격이 비싸고 충전 속도가 느릴 수 있습니다.

 

리튬 이온(Li-ion) 전지: 오늘의 주인공입니다. 이 배터리 방식은 스마트폰, 노트북 및 전기 자동차에 사용됩니다. 에너지 밀도가 높고 수명이 길며 상대적으로 가볍지만 가격이 비싸고 과열 및 화재 위험이 있으므로 취급에 주의해야 합니다.

 

보통 2차 전지는 일회용 1차 전지보다 오래 사용할 수 있어 비용측면에서 장점을 갖고 있기 때문에 전기차 시대에 널리 보급되고 있으나 환경에 대한 영향을 최소화하기 위해 적절한 사용과 폐기 방안을 제도화할 필요가 있습니다.

 

 

최근에 리튬을 둘러싼 관련 업계와 국제사회의 뜨거운 관심이 곧바로 가격에 반영되는 것을 목격할 수 있었는데요. 최근 2년 새 리튬가격은 약 10배 이상 오른 것을 알 수 있습니다. 

 

리튬가격 추이 <그림 출처 : https://www.kita.net>

 

 

현재로서는 리튬이온 방식이 2차전지 전쟁에서 우위를 점했다고 볼 수 있습니다. 리튬 이온 배터리의 구성과 원리를 좀 알아보겠습니다.  

 

 

리튬이온-전고체 배터리 방식 비교<그림 출처 : https://dimg.donga.com>

 

전해질: 리튬 이온 배터리에는 충전 및 방전 주기 동안 리튬 이온이 전극 사이를 이동할 수 있도록 하는 액체 또는 젤 형태의 전해질이 있습니다. 전해질은 일반적으로 유기 용매에 용해된 리튬 염입니다.

 

전극: 리튬 이온 배터리에는 양극과 음극의 두 전극이 있습니다. 일반적으로 음극은 금속 산화물 또는 금속 인산염으로, 양극은 탄소 재료로 만들어집니다.

 

리튬 이온: 방전 주기 동안 리튬 이온은 전해질을 통해 음극에서 양극으로 이동하여 전기 에너지로 사용할 수 있는 전자의 흐름을 생성합니다. 충전 주기 동안에는 반대로 리튬 이온이 양극에서 음극으로 이동하게 됩니다.

 

분리막: 리튬 이온 배터리는 음극과 양극 사이에 분리막 물질이 있어 접촉 및 단락을 방지합니다. 분리막은 일반적으로 전극 사이에서 리튬 이온의 흐름만 허용하는 다공성 폴리머 재료로 만들어집니다.

 

배터리 관리 시스템(BMS): 리튬 이온 배터리는 안전하고 효율적인 작동을 보장하기 위해 배터리 관리 시스템이 필요합니다. BMS는 배터리의 온도, 전압 및 전류를 모니터링하고 충전 및 방전 프로세스를 제어하여 과충전, 과열 및 기타 안전 문제를 관리합니다.

 

리튬 이온 배터리는 높은 에너지 밀도, 긴 수명 및 빠른 충전 기능으로 인해 인기를 얻은 충전식 배터리 유형입니다. 스마트폰, 노트북 등의 휴대용 전자제품은 물론 전기자동차 등 경량화와 고용량 전원을 필요로 하는 기기에 많이 사용됩니다.

 

 

 

참고로, 리튬 배터리 방식 중 하나인 전고체 전지는 리튬이온 전지 등 기존 전지에서 볼 수 있는 액체나 젤 형태의 전해질 대신 고체 전해질을 사용하는 전지의 일종이다. 고체 전해질은 향상된 안전성, 더 높은 에너지 밀도를 가지고 내구성이 향상되어 이점이 많습니다. 전고체 배터리에서 음극, 양극 및 고체 전해질은 일반적으로 각각 리튬 코발트 산화물, 리튬 철 인산염 및 리튬 가넷과 같은 서로 다른 재료로 만들어집니다. 고체 전해질은 일반적으로 세라믹 또는 폴리머 재료로 만들어진 불연성 재료입니다. 전고체 배터리는 더 높은 에너지 밀도를 가질 수 있습니다. 즉, 더 작고 가벼운 패키지에 더 많은 에너지를 저장할 수 있습니다. 또한 기존 배터리보다 수명이 길어 배터리 교체 및 폐기의 필요성이 줄어듭니다. 이러한 이유로 전기 자동차, 휴대용 전자 장치 및 에너지 저장 시스템을 포함한 다양한 응용 분야에서 사용할 수 있습니다. 그러나 전고체 배터리는 아직 완전 상용화 단계를 이루지 못하고 있습니다. 현재 방식은 높은 제조 비용, 제한된 확장성, 고체 전해질의 낮은 이온 전도도 등 여러 가지 문제를 안고 있으며, 계속 보완해 나가고 있는 중입니다. 

 

 

 

 

리튬이온 배터리와 전고체 배터리는 모두 리튬을 사용하는 차세대 가장 유망한 방식의 전지입니다. 특히 폭발적으로 수요가 증가하고 있는 전기차 분야에서 리튬의 쟁탈전이 치열한데요. 우리나라에서도 리튬광산과 채굴권에 대한 뉴스가 속속 올라오고 있습니다. 세계 배터리 기술과 보급을 주도하는 대한민국이기에 리튬 전쟁에서 반드시 승리하기를 기원합니다.