현재 전기자동차는 굉장히 많이 상용화가 되었고, 전기 자동차 충전기도 길을 가다 보면 심심찮게 보입니다. 하지만, 이렇게 많이 상용화가 된 전기자동차에 마지막 장벽이 존재합니다. 배터리에 대한 여러 문제들을 어떻게 해결할 지가 마지막 관문입니다. 배터리의 용량은 현재 가장 오래가는 전기 자동차가 주행거리가 최대 300km라고 하고, 심지어 원가의 40%정도를 차지하는 가격을 가졌습니다. 배터리를 사용한다면, 배터리도 일정 주기마다 교환하여야 하는데, 가격 부담이 상당하여서 배터리가 전기 자동차의 대중화에 큰 장애물로 남고 있습니다. 이 기사에서는, 배터리에 대해서 더 자세히 알아보고, 전기 자동차의 문제들을 개선할 방안들을 소개할 것입니다.
배터리
우선, 전반적인 배터리에 대해서 알아보겠습니다. 배터리는 가장 예전인 볼타 전지에서 시작해서 현대에서는 리튬 이온 배터리가 가장 널리 쓰이고 있습니다. 전지의 사전적인 정의는 물질의 화학적 또는 물리적 반응을 이용하여, 이들의 변화로 방출되는 에너지를 전기에너지로 변환하는 소형 장치입니다. 이러한 소형 장치에 전기에너지를 저장해서 나중에 필요할 때 쓰는 것입니다. 전지는 공통적으로 크게 보자면, 양극/음극과 전해질로 구성되어 있습니다. 양극과 음극에서는 각각 화학반응을 통해서 전자를 받아들이거나 전자를 내보내는 역할을 합니다. 또한, 전해질에서는 전극에서 방출된 전자를 다른 극으로 이동시키는 역할을 하게 됩니다. 여기서, 전극이 어떤 물질이고, 전해질이 어떤 물질인지에 따라서 전지의 이름이나 배터리의 효율 등의 성능이 바뀌게 되는 것입니다. 이런 전지를 크게 나누자면, 화학 전지와 물리전지가 있고, 1차 전지와 2차 전지가 있습니다. 물리 전지는 물리적 반응을 이용한 전지로서, 태양 전지와 같은 전지들이 속해있고, 화학 전지는 일반적으로 우리가 보는 거의 모든 전지가 화학전지라고 생각하면 됩니다. 또한, 1차 전지는 한번 방전하고 나면, 더 이상 충전을 하지 못하는 전지를 뜻하고, 2차 전지는 충전 후에 재사용이 가능한 전지를 의미합니다.
전기자동차에서 사용하는 가장 보편적인 전지(배터리)는 DC로 이루어져 있으며, 356V의 리튬이온폴리머 배터리를 사용합니다. 리튬 이온 폴리머 배터리는 전해질이 폴리머로 이루어진 배터리이고, 고분자 전해질을 사용함으로써 이온 전도도와 안전성이 높다는 것이 큰 장점입니다. 또한, 큰 에너지밀도와 높은 작동 전압, 그리고 안정성이 큰 장점입니다.
리튬 이온 배터리
그래서, 리튬이온 배터리의 작동원리와 리튬이온 배터리에 대해서 더 자세히 알아볼 것입니다. 리튬이온 배터리의 4대 요소는 양극, 음극, 분리막, 전해액입니다. 양극은 리튬이온 소스로써, 배터리의 용량과 평균 전압을 결정하는 매우 중요한 요소이고, 전해액은 이온이 원할하게 이동하도록 도와주는 매개체와 같은 역할을 합니다. 또한, 분리막은 양극과 음극의 접촉을 차단하는 역할을 하고, 음극에서는 양극에서 나온 리튬이온을 저장했다가 방출하면서 외부회로를 통해서 전류를 흐르게 하는 역할을 하게 됩니다.
양극을 조금 더 자세히 살펴보자면, 리툼 이온 배터리가 이름인 만큼, 양극은 리튬산화물로 이루어져 있습니다. 이런 리튬 산화물은 실제로 반응에 참여하기 때문에 활물질이라고 불립니다. 또한, 양극의 틀을 잡아주는 얇은 알루미늄 기재에 활물질과 도전제 그리고 바인더가 섞인 합제가 입혀져 있습니다. 활물질을 리튬이온을 포함하고 있는 물질이고, 도전제는 리튬 산화물의 전도성을 높이기 위해 넣고, 바인더는 알루미늄 기재에 활물질과 도전제가 잘 정착할 수 있도록 도와주는 일종의 접착 역할을 합니다. 이 양극은 배터리의 특징과 특성을 결정짓는 중요한 역할을 하게 됩니다. 어떤 양극활물질을 사용했는지에 따라서 배터리의 용량과 전압이 결정되게 됩니다. 리튬의 양이 커지면 용량이 커지고, 전위차가 크면, 전압이 커집니다. 또한, 양극에 따라서 전위차가 많이 변하기 때문에 양극의 물질이 중요합니다.
음극도 양극처럼 활물질이 음극기재에 입혀진 구조를 띠고 있습니다. 음극 활물질은 양극에서 나온 리튬이온을 가역적으로 흡수와 방출을 하면서 외부 회로를 통해 전류를 흐르게 하는 역할을 수행하게 됩니다. 배터리가 충전 상태일때, 리튬이온은 양극이 아닌 음극에 존재하게 됩니다. 이때, 방전되는 과정에서는 리튬 이온은 전해약을 통해 양극으로 이동하게 되고, 리튬이온과 분리된 전자는 도선을 따라 이동하면서 전기에너지를 발생시키게 됩니다. 음극은 구리 기재 위에 활물질, 도전제, 바인더가 입혀지게 됩니다 음극에서는 대부분 흑연이 사용되는데, 그 이유는 흑연이 구조적 안정성, 낮은 전자 화학 반응성, 리튬이온을 많이 저장할 수 있는 조건 등의 수많은 조건을 가장 잘 만족시키기 때문에 흑연이 사용됩니다.
전해액은 이온을 이동시키는 역할을 하게 됩니다. 전자가 전해액을 통해서 이동하게 되면, 전지의 안정성도 위협을 받고, 전기까지 사용할 수 없게 됩니다. 이온 전도도가 높은 물질이 주로 사용되게 됩니다. 전기 자동차에서 주로 사용하는 리튬이온폴리머전지는 이 전해액을 액체가 아닌 폴리머를 이용해서 만들게 됩니다. 전해액은 염, 용매, 첨가제로 구성되어 있는데, 염은 리튬이온이 지나가는 통로, 용매는 염을 용해시키기 위해서 사용되는 유기 액체, 첨가제는 특정한 목적을 위해서 추가로 넣어지는 소량의 물질을 의미합니다. 이 전해액에 따라서 리튬이온의 움직임이 빠르기도 하고, 느리기도 하게 됩니다.
전해액과 분리막은 배터리의 안정성을 결정짓는 구성요소입니다. 분리막은 양극과 음극이 서로 섞이지 않도록 막아주는 역할을 담당하고 있습니다. 전자가 전해액을 통해 흐르지 못하게 하고, 내부의 미세한 구멍만을 통해 특정한 이온만 이동이 가능하게 만들어 줍니다. 현재는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등의 분리막이 사용됩니다. 비교적 최근에 발생한 갤럭시 노트 7 배터리 폭발 사고도, 양극이 분리막을 뚫고 나와서 발생한 사고라는 분석이 있습니다.
개선 방안
이렇게, 리튬이온 전지에 대해서 알아보았는데, 이러한 리튬이온 전지에도 많은 단점이 존재합니다. 사용한 지 1년이 넘으면 효율이 급격히 떨어집니다. 온도 변화가 심하면 쉽게 방전되고, 충격에도 약합니다. 갑작스런 압력에 전지가 변형되면 내부 온도가 상승해 폭발할 수 있는 위험성도 지니고 있습니다. 이러한 문제들의 해결 방안으로서는 물론, 새로운 양극과 음극의 물질을 개발하는 방법도 있지만, 리튬 폴리머, 리튬 황, 리튬 에어 등의 많은 형태의 배터리를 연구하고 있습니다. 현재 200km수준인 전기 자동차의 최대 주행 거리를 리튬에어, 리튬 황 배터리라면, 600km까지 늘릴 수 있을 것이라고 예상이 되고 있습니다.
따라서, 현재 전기 자동차의 사용화를 막고 있는 장애물에 대해서 알아보았습니다. 배터리는 양극, 음극, 전해질, 분리막이 꼭 있어야 하며, 각각이 중요한 역할을 수행합니다. 또한, 기존의 리튬이온 배터리를 개선할 방안으로써는 리튬 에어, 리튬 황의 배터리들이 연구가 진행되고 있습니다.
원하던 케미 2019 봄호
작성자: 18-077 유재신
분야: 전기화학
참고문헌:
[1] 리튬이온전지의 기본적인 문제점
http://www.ndsl.kr/ndsl/search/detail/report/reportSearchResultDetail.do?cn=KAR2013066360
[2] 리튬 이온 배터리의 4대 요소
http://www.samsungsdi.co.kr/column/all/detail/55269.html
[3] 리튬 이온 전지
https://ko.wikipedia.org/wiki/%EB%A6%AC%ED%8A%AC_%EC%9D%B4%EC%98%A8_%EC%A0%84%EC%A7%80
이미지:
[1] http://www.samsungsdi.co.kr/column/all/detail/55269.html
ⓒ KOSMOS Chemistry