[개념] 이차전지? : 그게 뭔데 - 문돌이를 위한 과학 개념 설명서

전지

건전지

• 전지는 화학적 에너지를 전기에너지로 변환하는 장치
• 일반적으로 두 개의 서로 다른 금속과 전해질로 구성되어 있으며, 이들 간의 화학 반응을 통해 전기를 생성함
• 역사가 궁금하다면? → [ER궁금증] 간단히 알아보는 배터리의 역사

 

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일차 전지와 이차 전지의 비교

일차 전지

일차전지

• 대표적으로 볼타 전지가 있으며, 한 번 사용하면 전기적 재충전이 불가능하며, 주로 비가역적인 전기화학반응이 진행됨
• 반응 과정
  1. 아연전극과 구리전극을 묽은 황산 전해액에 담긴 후 연결하면 전위차가 발생
  2. 아연이 용액에 녹아들어 양이온이 되면서 아연전극은 음전하를 띰
  3. 수소이온이 음극이 된 아연과 반응하여 구리전극에 모여 전자를 받아 수소기체가 되어 날아감
  4. 아연전극에서 구리전극으로 전자가 이동, 전류는 구리전극에서 아연전극으로 흐름
  5. 화학반응이 모두 끝나면 전지는 수명을 다함

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이차 전지

자동차용 이차전지

• 주요한 이차 전지로는 납 축전지, 니켈-카드뮴 전지(NiCd), 니켈-메탈 수소 전지(Ni-MH), 리튬 이온 전지(Li-ion), 리튬 이온 폴리머 전지(Li-ion polymer) 등이 있음
• 이차전지는 반복적인 충방전이 가능한 에너지 저장장치로, 화학적 에너지를 전기적 에너지로 변환하는 것뿐만 아니라 그 반대의 과정도 가능
• 리튬 이온배터리는 가장 널리 사용되는 이차전지 중 하나, 주요한 이차 전지로는 납 축전지, 니켈-카드뮴 전지(NiCd), 니켈-메탈 수소 전지(Ni-MH), 리튬 이온 전지(Li-ion), 리튬 이온 폴리머 전지(Li-ion polymer) 등이 있음
• 반응과정
  1. 구조에는 양극, 음극, 활물질, 분리막, 전해질 등이 포함됨
  2. 충전 과정에서는 양극 활물질이 산화되어 전자를 만들어내며, 이 전자가 음극으로 이동함
  3. 방전 과정은 충전과정의 역과정으로, 음극 활물질층에 저장된 리튬이온이 음극에서 양극으로 이동함
  • 양극활물질 : 리튬 이온을 저장하고 방출하며, 전기화학 반응이 일어나는 곳

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차이

• 일차 전지: 한 번 사용하면 재충전이 불가능하며, 비가역적인 전기화학반응을 통해 작동
• 이차 전지: 여러 번의 충방전이 가능하며, 화학적 에너지와 전기적 에너지 간의 변환을 양방향으로 수행 가능

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이차 전지 종류 및 구성 요소

• 니켈 카드뮴 전지: 니켈과 카드뮴을 전극으로 사용하며, 충전과 방전 과정에서 산화전극 및 환원 전극에서의 화학 반응이 일어남
• 니켈 금속 수소 전지: Ni-MH전지는 Cd극을 수소저장합금으로 대체한 것으로, 충전과 방전 과정에서 음극에서의 환원반응과 양극에서의 산화반응이 일어남
• 리튬이온전지: (+)전극은 리튬-망간 산화물, (-)전극은 탄소를 사용하며, 충전과 방전 과정에서 리튬 이온의 이동과 코발트의 산화 환원 반응이 일어남
• 리튬 이온 폴리머 전지: 리튬 이온 전지와 유사하지만, 젤타입의 고분자가 양극과 음극 사이의 분리막을 구성하며 전해질의 역할도 함

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이차 전지 사업 및 기술

• 이용: 이차 전지는 높은 전력을 필요로 하는 곳에 주로 사용됨. 예를 들어, 자동차의 시동을 돕는 기기, 휴대용 장치, 도구, 무정전 전원 장치 등이 있음. 더 나아가, 하이브리드 자동차와 전기 자동차는 이차 전지를 활용하여 가격과 무게를 줄이고 수명을 늘리는 기술을 채택함.
• 니켈-카드뮴 전지: 니켈과 카드뮴을 전극으로 사용하며, 충전과 방전 과정에서의 화학 반응이 중요한 전지. 니켈 카드뮴 전지는 기억 효과가 있어서 완전 충전과 완전 방전을 하지 않으면 전지의 축전 용량이 줄어들 수 있음.
• 니켈 금속 수소 전지: Ni-Cd전지에서 Cd극을 수소저장합금으로 대체한 전지. 이 전지는 원리적으로 과충전과 방전 시 전지 내압이 증가하지 않으며, 전해액의 농도도 변하지 않아 신뢰성이 높음.
• 리튬이온전지: (+)전극으로 리튬-망간 산화물과 (-)전극으로 탄소를 사용함. 리튬이온 전지는 충전과 방전 과정에서 리튬 이온의 이동과 코발트의 산화 환원 반응이 중요함.
• 리튬 이온 폴리머 전지: 리튬 이온 전지와 유사하지만, 젤타입의 고분자가 양극과 음극 사이의 분리막을 구성하며 전해질의 역할도 함.

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이차 전지 사용처

1. 납 축전지:
   • 주로 자동차 시동용 배터리, 소방용 비상용배터리, 전기자동차용 보조전원 배터리, UPS용 배터리로 사용됨
   • 안정적이지만, 중금속(납)과 강산(황산)을 사용하여 인체와 환경에 해로움
   • 리튬인산철(LiFePO4) 전지나 슈퍼커패시터를 이용한 경량 시동용 배터리도 개발 중임
2. 니켈카드뮴 전지와 니켈수소 전지:
   • 워크맨 등의 오래된 가전 제품에서 주로 사용됨
3. 리튬 이온 전지:
   • 현대의 스마트폰, 각종 가전제품, 전기자동차 등에서 널리 사용됨

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이차 전지 미래 산업 현황 및 전망

1. 전기차와의 연계성: 이차전지는 미래 먹거리 산업으로 꼽히는 전기차와 밀접한 관련이 있음. 자동차 산업의 중심이 내연기관차에서 전기차로 변화하면서 충전과 방전이 중요해졌고, 전기차 산업이 크게 성장하고 있음.
2. 미래 배터리 산업: 전세계적으로 배터리(이차전지) 산업에 주목하고 있으며, 미국의 IRA 법안과 중국의 '중국제조 2025' 정책에서도 전기차용 배터리 분야가 주요하게 다루어지고 있음.
3. 적용 영역 확장: 이차전지는 무선가전, 전기차, 에너지저장장치(ESS), 드론, 로봇, 전기선박 등 다양한 분야로 적용 영역이 확장되고 있음. 미래 산업의 변화는 전동화를 중심으로 진행되며, 이차전지의 중요성이 계속해서 증가할 것으로 예상됨.

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[정리] 에코프로, 도대체 무슨 기업이야? - 이차전지 관련 기업

 

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