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2차 전지 소재

2차 전지 소재 특성과 종류에 관하여 알아봅시다.

앞서 1차 전지에 관하여 알아보았고 지금부터 2차 전지 소재 특성과 종류 그리고 사용에 관한 글을 써볼까 합니다.


2차 전지를 쓰는 간단한 이유

전지는 전기화학 반응이 비가역적이어서 한 번 쓰고 버려야 하는 1차 전지(Primary cell)와 충전하여 다시 쓸 수 있는 2차 전지(Secondary cell, Rechargeable cell)로 나눌 수 있습니다.
이 중에서 2차 전지가 핸드폰과 같은 휴대형 전자 장비나 전기 자동차와 같은 응용을 위하여 많은 관심과 연구의 대상입니다.

납 축전지(Lead-acid battery)

  • 오랫동안 많이 사용되어 온 2차 전지는 자동차에 사용되어왔습니다.
  • 납 축전지는 납과 황산을 이용한 이차 전지로서 다은 이차 전지 보다 용량이 크고 전압(약 2.1 V)이 높습니다.
  • 양극인 이산화 납 판과 음극 납 판이 진한 황산에 잠겨있는 구조입니다.

그러나 볼타 전지와 같이 휴대용으로는 문제점이 있어서 휴대형 전자기기에 사용되는 2차 전지는 여러 가지 화합물들이 사용되고 있는데 니켈-카드뮴(NiCd), 니켈-금속 수소화물(NiMH), 리튬 이온(Li-ion) 리튬 중합체(Li-ion polymer)들이 널리 사용되는 2차 전지들입니다.

리튬 이온 전지(Lithium-ion battery)

  • 2차 전지의 일종으로서, 방전 과정에서 리튬 이온이 음극에서 양극으로 이동하는 전지입니다.
  • 충전 시에는 리튬 이온이 양극에서 음극으로 다시 이동하여 제자리를 찾게 됩니다.
  • 리튬 이온 전지는 충전 및 재사용이 불가능한 일차 전지인 리튬 전지와는 다릅니다.
  • 전해질로서 고체 고분자를 이용하는 리튬 이온 중합체 전지와도 다릅니다.
  • 리튬 이온 전지는 에너지 밀도가 높고 기억 효과가 없으며, 사용하지 않을 때에도 자연 방전이 일어나는 정도가 작기 때문에 시중의 휴대용 전자 기기들에 많이 사용되고 있습니다.
이 외에도 에너지 밀도가 높은 특성을 이용하여 자동화 시스템, 항공산업 분야에서도 점점 그 사용 빈도가 증가하는 추세입니다. 그러나 일반적인 리튬 이온 전지는 잘못 사용하게 되면 폭발할 염려가 있으므로 주의해야 합니다.
  • 리튬 이온 전지는 크게 양극, 음극, 전해질의 세 부분으로 나눌 수 있는데, 다양한 종류의 물질들이 이용될 수 있습니다.

  1. 상업적으로 가장 많이 이용되는 음극 재질은 흑연입니다.
  2. 양극에는 층상의 리튬 코발트 산화물(Lithium cobalt oxide)과 같은 산화물, 인산철 리튬(Lithium iron phosphate)과 같은 폴리 음이온, 리튬 망간 산화물, 스피넬 등이 쓰입니다.
  3. 음극, 양극과 전해질로 어떤 물질을 사용하느냐에 따라 전지의 전압과 수명, 용량, 안정성 등이 크게 바뀔 수 있습니다.

최근에는 나노 기술을 응용한 제작으로 전지의 성능을 높이고 있습니다.
  • 전지의 용량은 mAh(밀리암페어 시) 또는 Ah(암페어 시)로 표시합니다.

리튬 이온 중합체 전지(리튬 이온 폴리머 전지, 폴리머 전지)

  • 중합체(폴리머)를 사용한 리튬 이온 전지입니다.
  • 좁은 의미의 폴리머 전지는 폴리머를 전해질로 사용합니다.
  • 넓은 의미의 폴리머 전지는 전해질 이외에 음극과 양극의 활성 물질에 전도성 고분자 등을 이용한 것도 포함됩니다.

현재 휴대기기용으로 사용되고 있는 폴리머 전지는 Polyethylene glycol이나 polyvinylidene fluoride으로 구성된 폴리머에 전기 분에 액을 포함시켜 고질화(겔화) 한 것으로, 본질적으로는 리튬 이온 전지와 큰 차이가 없지만 전해질이 준고체 상태이기 때문에 용액이 잘 새어 나오지 않는다는 장점이 있습니다.

  • 다른 방식의 2차 전지에 비해 상당히 가볍고, 메모리 효과도 매우 적습니다.
  • 모양도 비교적 자유롭게 만들 수 있기 때문에 이용이 증가하고 있습니다.





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