눈에는 안 보이는 전기차 배터리 속 세상..과연 배터리의 구성 요소는 뭘까?

처음 1차전지가 등장했을 때, 사람들은 원통형 배터리 안에 쌓여 있던 전기가 선을 타고 흘러 나온다고 생각했습니다. 그래서 다 써버린 배터리를 빈 깡통처럼 생각하고 이를 뜯어보거나 못으로 뚫어보는 등 주의 깊게 취급하지 않았습니다.

배터리 안에 무엇이 들어있는지 몰랐기에 가능했던 위험한 행동이었죠. 하지만 배터리 내부를 조심스레 살펴보면 금속과 화학물질로 이루어졌다는 걸 알 수 있습니다.

1차전지와 2차전지 모두 양극, 음극, 분리막, 전해질이라는 이른바 4대 구성요소로 이루어집니다. 리튬이온 배터리를 중심으로 4대 구성요소의 특성에 대해 간략히 살펴볼까요?

먼저 양극은 배터리의 성능과 스펙을 결정짓는 요소입니다. 배터리의 특성을 이야기할 때 가장 먼저 떠올리는 것 바로 용량과 출력인데요, 양극이 이 부분을 담당합니다. 배터리의 전압은 양극의 전위차에 의해 결정되기 때문에 양극 구조에 따른 전위값이 전압에 큰 영향을 미치게 됩니다.

이에 따라 업계에서는 양극의 성능 향상을 위해 양극 활물질(active material)을 개선하는데 주력하고 있습니다. 활물질은 에너지가 들어있는 물질을 말합니다. 리튬이온 배터리의 경우, 양극의 금속은 알루미늄을 사용하지만 활물질은 리튬금속산화물을 사용합니다.

알루미늄은 전류(전자)를 수집하는 역할을 하는데 이렇게 수집된 전류는 탭(전지의 극과 닿는 부분)을 통해 흐르게 됩니다. 배터리 충전 시에는 전자를 내주는 산화 반응이, 방전 시에는 전자를 받는 환원 반응이 일어나는데, 이때 산화·환원 반응에 참여하는 것은 알루미늄이 아니라 리튬원소를 함유한 리튬금속산화물입니다. 다시 말해, 어떠한 리튬금속산화물을 쓰느냐에 따라 배터리의 용량과 전압이 결정되는 것이죠.

음극은 양극에서 내보낸 전자와 리튬이온을 받아 보관했다가 방전 시에 이를 방출하는 역할을 합니다. 전자는 외부 회로를 통해 전류를 흐르게 하고 리튬이온은 전해질을 통해 양극으로 이동합니다. 이때 음극에 있던 전자가 방전 시에 전류를 흐르게 하는 원천이 되어 전류의 공급원이 됩니다.

음극 활물질은 양극 활물질과 마찬가지로 배터리 용량에도 큰 영향을 미치는데요, 음극에서는 구리가 전자를 수집하는 역할을 담당합니다. 다양한 소재의 양극 활물질에 비해 음극 활물질은 주로 흑연을 사용하는데, 흑연의 경우 전자와 이온을 받았다가 내보내는 과정에서 물리적인 팽창과 수축을 반복하기 때무넹 배터리 수명에도 영향을 미치게 되죠.

분리막은 양극과 음극의 물리적인 접촉을 막아줍니다. 리튬이온 배터리의 양극과 음극이 닿게 되면 단락(short) 발생으로 인해 화재로 이어질 수 있습니다. 특히 리튬 소재는 반응성이 매우 놓아 더욱 위험합니다. 이를 막아주는 분리막은 배터리의 안전성을 높이는 데 있어 매우 중요합니다. 따라서 높은 절연성과 함께 열 안전성이 요구되며 일정 이상의 온도에서는 자동으로 이온의 이동을 막아주는 기능을 갖춰야 합니다.

마지막으로 전해질은 이온이 이동하도록 돕는 매개체입니다. 이온은 통과시키면서 전자는 출입하지 못하게 막아 외부 도선으로 이동시켜야 하기 때문에 이온전도도가 높아야 하고, 안전을 위해 전기화학적 안전성과 발화점도 높아야 합니다. 높은 이온전도도를 위해 주로 액체가 사용되며 폴리머나 세라믹을 같이 사용해 액체 전해질의 점도를 조절하기도 합니다. 이럴 경우 물처럼 흐르지 않아 안전성은 보강되지만 공정 추가에 따라 비용도 상승합니다.

2차전지 내부에서 일어나는 일 - 리튬이온과 전자가 이동하며 전기를 만든다?

2차전지는 반복해서 충전과 방전이 가능한 만큼 경제적이고 친환경적입니다. 전기자동차의 경우 내연기관 자동차 대비 탄소 배출이 월등히 적죠. 이처럼 충전이 가능한 배터리의 발명과 고용량, 고출력 등의 성능 향상은 우리의 일상에도 매우 큰 의미를 지니고 있습니다.

그럼 2차전지의 충전과 방전에 대해 알아볼까요?

충전과 방전 시 이온의 흐름을 나타낸 그림인데요, 2차전지를 충전하면 양극에서는 산화 반응이, 음극에서는 환원 반응이 일어난다고 말씀드렸었죠?

그림의 노란색 동그라미는 리튬이온, 회색 동그라미는 전자를 의미합니다. 양극에 쌓여 있던 전자는 도선을 타고 음극으로 이동하고 리튬이온은 전해질을 통해 음극으로 이동합니다. 방전 시에는 이런 과정이 반대로 이루어지게 됩니다.

다시 말해, 일반적으로 금속 원자는 전자가 빠져나오지 않아 양극도 음극도 아닌 상태입니다. 이 금속 원자가 화학전지에 장착되면, 양극 소재와 음극 소재의 이온화 경향의 차이로 인해 전자가 빠져나오고 양이온이 분리되어 나옵니다. 빠져나온 전자는 도선을 타고, 양이온은 전해질을 타고 같은 방향으로 이동하며, 이 과정에서 전기가 발생해 전자기기가 작동됩니다. 이때 양극에서 벌어지는 일이 환원 반응, 음극에서 벌어지는 일이 산화 반응입니다.

요즘 우리는 스마트폰으로 대부분의 일상을 경험할 수 있습니다. 별도로 배터리를 교체하지 않아도 대부분은 2년 이상 스마트폰을 사용하죠. 실제로 정상적인 환경에서 스마트폰 배터리 용량이 80% 수준으로 유지되는 기간이 2~3년 정도입니다. 80% 아래로 성능이 떨어져도 큰 불편함을 느끼지 못하는 경우가 많기 때문에, 경우에 따라 사용 기간은 오히려 더 긴 편이라고 할 수 있죠. 이는 더 강하고 더 오래가는 배터리를 만들기 위해 배터리의 4대 구성 요소에 대한 연구개발이 끊임없이 진행되고 있기 때문입니다.

모니터나 손에 들고 계신 스마트폰을 통해 레터를 보고 있는 이 순간에도, 그 안의 배터리 속 4대 구성 요소가 끊임업싱 상호작용하며 우리의 일상을 위한 에너지를 만들어내고 있다는 사실 기억해 주세요.

[삼성SDI 제공]