헷갈리는 2차전지 용어 모형, 재료별 종류 및 특징을 간단하게 정리

뉴스를 시청하시거나 신문기사를 읽으시다 보면 2차 전지 관련 내용이 자주 언급되는데, 리튬 이온 전지, 리튬 이온 폴리머 전지, 리튬 황 전지 등등 원료 화학 물질을 기준으로 배터리 이름을 짓다 보니 헷갈리신 경우가 많으실 거 같습니다. 오늘은 이러한 용어들을 정리해보도록 하겠습니다.

모형별 2차전지 정리

2차 전지는 어떤 모형(패키징)을 하고 있는지, 원재료에 어떤 화학물질이 사용되었는지, 그리고 배터리의 단위별로 용어가 정리되어있습니다. 우선 모형별 2차 전지의 용어와 특징을 알아보겠습니다.

원통형 배터리

우선 원통형 배터리가 있습니다. 원통형 배터리는 말 그대로 원기둥 모양의 배터리로 배터리 소재들을 원형으로 패키징한 것입니다. 전통적인 배터리 모형이기 때문에 기술축적이 오래 돼 안전성이 높고, 공정 난이도와 제작비용이 낮은 편입니다. 

 

그러나 다양한 디자인이 어렵고, 냉각방식의 한계로 인해 열에 의한 성능 저하로 수명이 짧습니다. 또한 저장가능한 전력 용량이 상대적으로 적은 특징이 있습니다..

 

원통형 배터리는 일본의 파나소닉이나 LG에너지 설루션에서 제작하며 테슬라 저가 모델에 사용됩니다.

 

각형 배터리

배터리 소재를 직육면체 모양의 알루미늄 캔에 패키징 한 배터리입니다.  원통형과 비교하였을 때 효율적인 공간 사용이 특징이며, 알루미늄 캔을 사용하여 상대적으로 안전합니다. 그러나 파우치형에 비교할 때 디자인 유연성이 부족하고 원통형에 대비해요 제작비가 비싼 특징이 있습니다.

 

각 형 배터리는 삼성 SDI나 일본의 도시바, 중국의 CATL 등에서 생산하며 BMW, 아우디 같은 유럽의 자동차 기업이 주로 그들의 전기차에 공급합니다.

 

파우치형 배터리

사진 필름처럼 소재를 쌓은 뒤 필름으로 패키 징하여 상대적으로 얇은 배터리입니다. 내부 빈 공간이 최소화되어 고용량 전기를 저장할 수 있고 고밀도의 배터리 제작이 가능합니다. 또한 디자인을 유연하고 다양하게 만들 수 있다는 장점이 있습니다. 그러나 다른 배터리에 비해 열관리가 힘들고 안전장치가 부족하며, 공정 난도가 높은 편입니다.

 

파우치형 배터리는 SK 온 (SK이노베이션)이나 LG에너지 설루션에서 취급하며 한국의 현대, 기아자동차, 미국의 GM, 포드 그 외에 르노, 닛산 등의 전기차에 공급합니다. 

 

좌측부터 원통형, 각형, 파우치형 배터리 (출처 : 게티이미지 코리아)

 

원재료별 2차 전지 정리

대부분의 2차 전지의 원리는 하단의 그림과 유사합니다.  간단하게 설명드리자면, 충전상태시에는 음극에 충전상태로 있다가 (전자를 원자(이온)가 보유하고 있다고 생각해도 됩니다.) 사용 시 이온화되어 전자는 전류를 발생시키고 양극으로 이동하며 이온은 전해질을 통해 양극으로 이동합니다. 이를 충전시키면 다시 원상복구 됩니다. 

 

즉 2차 전지를 구성하는 양극, 음극, 전해질에 어떤 물질이 사용되는지에 따라 종류가 다르다고 보시면 될 거 같습니다.

니켈수소전지

니켈수소전지는 양극에 니켈 수산화물, 음극에 수소저장 합금을 사용하며 알칼리 수용액을 전해질로 사용합니다. 주로 전자기기의 충전기로 많이 사용됐으며, 도요타의 하이브리드 자동차 전지로 사용되었지만 무게가 무겁고 수명이 짧아 리튬이온 전지의 안전화 이후 그 사용추세가 감소하고 있습니다.

 

리튬이온전지

리튬이온 전지는 양극에 리튬화합물 (리튬 코발트 산화물 또는 리튬망간 산화물)을 사용하고 음극에는 탄소를 사용하며 액체 전해질을 사용합니다.

 

리튬이온 배터리는 낮은 방전율, 가벼운 무게, 높은 에너지 밀도,, 긴 수명, 사용하지 않을 때 자가방전 등의 장점을 지닌 배터리입니다.

 

하지만 가격이 비싸고 (기술이 발전해 가면서 저렴해지고 있음) 극한 온도에서 사용할 수 없고 이때에 안전에 문제가 있습니다. 이는 액체 전해액이 휘발유보다 잘 타는 유기성 물질이기 때문인데요, 이러한 성질 때문에 폭발 위험성이 있으며 , 전기자동차에 리튬이온 배터리를 사용함에 있어 가장 큰 장애 요인입니다.

 

과거 스마트폰 배터리 충전 중 폭발사고, 전기오토바이 폭발사고 및 현대자동차에서 만든 코나 전기자동차의 차량화재사고 등 모두 리튬이온 배터리에서 발생한 문제점입니다.

 

현재 GM의 Volt , 도요타의 프리우스 , 닛산의 Leaf , 테슬라의 Model3 등이 리튬이온 배터리를 사용합니다.

 

리튬이온 폴리머 전지

리튬이온 폴리머 2차 전지는 리튬이온 2차 전지와 같은 음극과 양극재료를 갖지만 전해질을 액체 전해질이 아닌 고분자 전해질을 사용합니다.

 

이로 인하여 전지의 형상을 다양한 모양으로 유연하게 만들 수 있고 초박형, 경량화가, 가능하며, 전해질을 폴리머로 사용함으로써 안전성이 뛰어나며, 리튬이온 전지에 꼭 필요한 보호회로가 불필요해져서 가격을 낮출 수 있습니다.

 

하지만 리튬이온 전지에 비해 에너지 밀도가 떨어지고 제조공정이 복잡하여 가격이 높고, 이온 전도율이 낮으며 수명이 짧은 단점이 있습니다.

 

현재 GM의 BOLT, 현대의 아이오닉, 르노의 ZOE, 볼보의 XC40이 리튬이온 폴리머 전지를 사용합니다. 

전고체 배터리

전고체 배터리는 차세대 배터리라 불리며 많은 기업들이 개발에 몰두하고 있는 배터리입니다. 전고체 배터리도 양극과 음극에 어떤 재료가 쓰이는지에 따라 종류가 더욱 다양해지지만 공통적으로 전해질을 액체가 아닌 고체를 사용한다는 특징이 있습니다.

 

전해질이 고체이기 때문에 액체일 때 비하여 내부 인화성이 떨어져 폭발 위험이 줄어들고, 누액으로 인한 방전 등의 위험이 줄어듭니다. 또한 다양한 모양으로 제작할 수 있습니다. 

 

기존 액체 전해질의 경우에는 음극 상태에서 가장 많은 용량을 지닌 '리튬금속'을 사용하지 못했습니다. 리튬이 금속상태일 때는 부피까지도 줄일 수 있어 차량 내부 배터리 용량을 더욱 늘릴 수 있었지만 액체 전해질과 분리막에 손상을 입히는 문제가 발생하여 상용화하지 못했습니다. 그러나 전해질이 고체화된다면 해당 문제를 해결하고 리튬 금속을 사용할 수 있게 됩니다.

 

그 외도 CATL의 주 무기라 불리는 가격이 저렴하여 테슬라 모델 3가 채택한 인산철 배터리와 니켈, 코발트, 망간, 알루미늄 등을 사용하는 삼원계 배터리, 배터리 포장재를 줄여 그만큼 배터리 용량을 늘리고 테슬라와 파나소닉이 개발 중인4680 배터리, 앞서 언급한 리튬금속을 활용하는리튬 메탈 배터리 등이 있습니다.

 

	양극재	음극재	전해질	성질
삼원계배터리	니켈,코발트,망간, 알루미늄	흑연, 실리콘	액체	고밀도 에너지와 긴 주행거리
인산철배터리	철, 인	흑연, 실리콘	액체	가격이 저렴하고 안전
4680배터리	다양한 구성 가능	흑연, 실리콘	반고체	테슬라 개발 배터리
리튬메탈배터리	다양한 구성 가능	리튬금속	고체	차세대배터리

자료출처 : 한겨레신문