전기차 배터리(이차전지) 원리

배터리의 원리

1. 이차전지란?

이차전지 배터리란 무엇일까요? 이차전지 배터리는 충전이 가능한 배터리로서, 양극과 음극 사이의 산화환원 반응으로 화학 에너지를 전기 에너지로 변환하거나 반대로 전기 에너지를 화학 에너지로 저장하는 장치입니다. 이차전지 배터리는 일회성으로 사용되는 일차전지와 달리 충반전을 반복할 수 있어 재사용이 가능하며, 그에 따라 환경 친화적이고 경제적인 장점을 가집니다.

2. 리튬이온 배터리란?

이차전지 배터리의 종류는 다양하지만, 여기서는 가장 널리 사용되고 있는 리튬 이온(Li-ion) 이차전지에 대해 살펴보겠습니다. 리튬 이온 이차전지는 양극과 음극 사이에 리튬 이온(Li+)을 운반하는 전해액을 넣은 구조로 되어 있으며, 충전할 때 양극에서 음극으로 리튬 이온과 분리된 전자가 도선을 따라 흐르면서 전기가 발생하고, 방전할 때 음극에서 양극으로 리튬 이온과 전자가 흐르면서 화학 에너지를 내놓습니다.

3. 리튬이온 배터리의 구조

그렇다면 리튬 이온 이차전지의 구조와 소재는 어떻게 되는 것일까요? 리튬 이온 이차전지의 구조는 크게 4가지로 구분할 수 있습니다. 바로 양극(positive electrode), 음극(negative electrode), 분리막(separator), 그리고 전해액(electrolyte)입니다. 각각의 역할과 특징은 다음과 같습니다.

양극은 보통 양극재라고도 불리는 양극활물질로 구성되어 있습니다. 이 활물질은 충전된 상태에서 양이온을 수용하고, 방전될 때는 양이온을 방출합니다. 대표적인 양극재로는 리튬 이온 배터리의 경우에는 이산화 코발트(CoO2)가 사용됩니다.

음극은 음극재 또는 리튬 이온 배터리의 경우에는 카본(C) 기반의 활물질로 구성됩니다. 음극재는 충전 상태에서 음이온을 방출하고, 방전될 때는 음이온을 수용합니다.

전해질은 일반적으로 액체 상태이며, 양극과 음극을 분리하고 전기를 전달하는 역할을 합니다. 전해질은 일반적으로 전해질 용액으로, 리튬 이온 배터리에서는 리튬 염의 용액을 사용합니다.

컨테이너는 양극, 음극, 전해질을 담는 컨테이너로, 전지의 크기와 형태를 결정합니다. 이차전지의 경우 컨테이너는 일반적으로 금속 또는 플라스틱으로 만들어집니다.

이차전지는 충전 및 방전 과정에서 화학 반응이 일어나므로, 전지 내부의 화학적인 변화가 중요합니다. 따라서 이차전지의 구조는 전지의 성능과 수명에 매우 중요한 역할을 합니다.

이차전지의 종류 (파우치형, 각형, 원통형)

4.전기차 배터리의 종류

원통형 배터리(Cylindrical Battery): 원통형 배터리는 길쭉하고 원통 모양의 배터리로, 주로 리튬 이온 배터리에서 사용됩니다. 이러한 배터리는 일반적으로 높은 에너지 밀도와 높은 충전용량을 제공하며, 다양한 온도 범위에서 안정적인 성능을 보장합니다. 또한, 제조 및 유지 보수 비용이 상대적으로 저렴합니다. 하지만, 형태가 고정되어 있기 때문에 설계 시 제약이 있을 수 있습니다.

각형 배터리(Prismatic Battery): 각형 배터리는 직사각형 모양의 배터리로, 주로 니켈-수소 배터리 및 리튬 이온 배터리에서 사용됩니다. 이러한 배터리는 배터리 모듈에서 높은 에너지 밀도와 높은 충전용량을 제공할 수 있으며, 설계 및 조립이 상대적으로 쉽습니다. 또한, 배터리 모듈을 디자인 할 때 다양한 크기와 용량을 조정할 수 있습니다. 하지만, 복잡한 제조 과정 및 고가의 제조 장비가 필요할 수 있습니다.

파우치형 배터리(Pouch Battery): 파우치형 배터리는 평면 모양의 배터리로, 주로 리튬 이온 배터리에서 사용됩니다. 이러한 배터리는 원형 및 각형 배터리와 달리 유연한 폴리머 셀로 제조되어 설계 및 제조가 상대적으로 쉽습니다. 또한, 높은 에너지 밀도와 상대적으로 저렴한 제조 비용을 제공합니다. 하지만, 배터리의 크기와 형태를 변경하기 어려울 수 있으며, 내구성이 낮은 경우가 있습니다.