전기차 배터리 작동 원리 및 구성 요소

전기자동차의 가장 중요한 부품은 무엇일까요? 내연 기관의 엔진에 해당하는 모터가 중요하겠지만 모터에 전기 에너지를 공급하고 저장하는 배터리가 가장 중요한 부품이 아닐까요? 왜냐하면 고용량의 배터리가 개발되지 않았다면 지금과 같은 전기 자동차의 시장 확대는 불가능했을 것이기 때문입니다. 배터리의 용량과 에너지 밀도의 증가가 전기 자동차 시장 확대에 결정적인 역할을 했다고 볼 수 있습니다. 예를 들어 1996년 GM에서 EV1이라는 전기 자동차를 출시하였지만 짧은 주행거리 (약 80 마일 ~ 140마일, 1마일은 1.6km) 와 높은 가격으로 인하여 시장 경쟁력을 가지지 못하고 2003년에 시장에서 사라졌습니다. 실질적으로 시장 매력을 가진 전기 자동차의 부활은 리튬 이온 전지 기술이 전기 자동차 배터리에 적용되고 2012년에 테슬라에서 모델 S를 출시하게 됨으로써 시작되었다고 할 수 있습니다. 이렇게 전기 자동차의 핵심 부품인 리튬 이온 배터리의 작동 원리에 대해 간단하게 알아보겠습니다.

출처 : 포스코케미컬

리튬 이온 배터리의 작동 원리

일반적으로 리튬이온 배터리는 양극재, 음극재, 전해질, 분리막의 4가지 구성 요소를 가집니다. 양극재를 리튬 이온이 담긴 통이라고 생각한다면 양극재에 있던 리튬 이온이 전자를 잃고 음극재로 이동하게 되면 충전이 되고 반대로 음극재에서 양극재로 전자가 이동하면 방전이 되는 것입니다. 이때 양극과 음극 사이의 리튬 이온의 통로 역할을 하는 것이 전해질이고 양극과 음극이 접촉하는 것을 방지하는 분리막입니다. 좀 더 화학적인 표현으로 배터리를 정의하자면  양극(+) 물질과 음극(-) 물질의 산화와 환원 반응(전자를 잃는 것을 산화, 전자를 얻는 반응을 환원이라고 한다)에 의한 화학 에너지를 전기에너지로 변환 저장하는 장치라 할 수 있습니다. 전자를 주고받을 수 있는 두 물질이 접촉하게 되면 전자의 자발적인 흐름이 생기고 두 화학물질 간 전자의 이동은 열을 발생시키는데 이러한 현상을 두 물질 간의 화학반응이라고 합니다. 하지만 제어되지 못하는 전자의 이동은 열로 소진되어 버리고 필요한 전기에너지로 변환할 수 없기 때문에 두 물질 사이에 전해질을 통해 급격한 전자의 이동을 제어함으로써 전기에너지를 구할 수 있는 장치가 필요한데 이것이 전지, 즉 배터리입니다. 여기서 양극 물질로써 리튬이온을 적용한 것이 리튬 이온 배터리라고 할 수 있습니다. 

 

양극재(Cathode Material)

앞서 얘기한 바와 같이 리튬이 담기는 통이라고 할 수 있습니다. 그러나 리튬은 원소 상태에서 매우 불안정하기 때문에 리튬 산화물이 양극에 사용됩니다. 이처럼 양극에서 실제 배터리의 전극 반응에 관계하는 물질을 활물질이라고 부릅니다. 리튬 이온 배터리의 양극에는 리튬 산화물이 활물질로 사용되는 것입니다. 보통 배터리가 저장할 수 있는 에너지의 양은 용량에 전압을 곱한 것인데 양극재가 바로 배터리 성능을 결정하는 용량과 전압을 정하는 핵심 소재입니다. 이러한 양극 활물질은 리튬과 금속 성분의 조합으로 이루어져 있는데 에너지 밀도를 결정하는 니켈(Ni), 안정성을 높이는 코발트(Co)와 망간(Mn), 출력을 향상시키는 알루미늄(Al)이 주로 사용됩니다. 이들 금속 원소를 어떤 비율로 조합하느냐에 따라 양극재의 용량, 에너지밀도, 안정성, 수명이 달라집니다. 

한국 전기차 배터리 업체들은 NCM(니켈.코발트.망간), NCA(니켈.코발트.알루미늄) 두 종류의 삼원계 배터(리튬 코발트 산화물(LCO)을 기본으로 니켈 포함 총 세가지 금속 원소를 함유한 배터리)를 주력으로 하고 있지만 이 중에서도 NCM 양극재가 전기차용 이차전지로 가장 많이 사용되고 있다고 합니다. 최근에는 가격이 비싼 코발트 량을 줄이고 니켈 함량을 60% 이상 높인 하이니켈 (High-Ni) 배터리가 개발되는 추세입니다.

반면에 중국의 CATL 같은 배터리 회사는 LFP (리튬.인산.철) 양극재를 사용하는데요 이는 NCM 대비 30% 이상 비용을 절감할 수 있고 안정성을 높일 수 있는 장점이 있기 때문입니다. 하지만 에너지 밀도가 낮기 때문에 전기자동차의 주행거리가 짧고 출력이 낮은 단점도 있습니다.

 

음극재 (Anode Material)

양극에서 나온 리튬 이온을 저장하고 방출하면서 외부 회로를 통해 전류를 흐르게 하는 역할을 합니다. 따라서 배터리의 충전 속도와 수명을 결정하는 중요한 소재입니다. 배터리가 충전 상태일 때 리튬 이온은 음극에 있게 됩니다. 이때 양극과 음극을 도선으로 이어주면 리튬 이온은 전해액을 통해 양극으로 이동하고 리튬 이온과 분리된 전자는 도선을 따라 이동하면서 전기를 발생합니다. 흑연은 구조적 안정성, 낮은 전자 화학 반응성, 리튬 이온을 충분히 저장할 수 있는 조건을 갖추고 있기 때문에 음극 재료로 사용됩니다.

 

전해질 (Electrolyte)

리튬 이온이 양극에서 음극으로 음극에서 양극으로 이동하는 통로를 제공하는 역할을 합니다. 전자는 도선으로 이동하고 이온은 전해액을 통해 이동해야만 전기를 사용할 수 있기 때문에 중요한 요소라 할 수 있습니다. 전해액은 리튬이온을 잘 이동시킬 수 있도록 이온 전도도가 높은 물질이 주로 사용된다고 합니다. 전해액은 리튬 이온을 잘 이동시킬 수 있는 능력이 제일 중요하고 배터리 작동시 전해액이 부반응을 일으켜 성능을 저하시키는 일이 없도록 화학적으로 전기적으로 안정적이어야 하고 언제나 배터리가 작동할 수 있게 어는 점은 낮고 끓는 점은 높아야 합니다. 

 

분리막 (Separator)

리튬 이온 배터리에서 양극과 음극이 닿지 않도록 막아 주어야 하는데 이런 역할을 하는 것이 분리막입니다. 한편으로는 리튬 이온은 지나다닐 수 있는 통로 역할을 해야 하기 때문에 분리막은 절연 소재로 이루어진 얇은 막이면서 동시에 미세한 구멍도 가지고 있어야 합니다.