[배터리] 2차 전지 이야기

미래는 배터리의 시대이다. 특히 요즘 각광받고 있는 2차 전지에 대해 알아보자.

 

1. Why 배터리인가?

- 배터리는 계속적으로 전력을 공급하여 모든 사물이 디지털적으로 연결된 상태를 지속 가능하게 하며, 전 세계적인 약속인 Zero 탄소를 실현하기 위한 ESS 시스템과 전기자동차의 필수 구성품이기 때문이다.

- 배터리는 에너지의 시간/공간적 제약을 극복하고 실시간으로 사물의 정보를 수집할 수 있게 해준다.

- 4차 산업혁명에는 빅데이터, AI, IoT 등 정보기술 기반의 초연결 혁명인데 이를 위해 배터리가 필수적인 것이다.

태양광 발전소와 ESS 시스템

2. 배터리의 종류

- 1차 전지

  . 일회용 전지로 재사용 불가함

  . 알카라인 전지, 망간 전지 등

- 2차 전지

  . 일정 횟수만큼 재사용 가능함

  . 외부 전원을 통해 충전하는 에너지 저장장치임

  . 양극재와 음극재의 양에 따라 용량이 결정됨 (한계)

  . 납축전지, 리튬이온 전지, 리튬인산철 전지, 전고체 전지, 레독스 플로우 전지 등

- 3차 전지

  . 공급되는 연료 양만큼 재사용 가능함

  . 일종의 에너지 변환장치임 (발전기 역할)

  . 외부 연료 공급으로 지속 사용 가능함

  . 연료전지 (MCFC.SOFC, PEMFC 등)

3. 2차 전지의 종류

- 납축 전지

  . 경제적 / 중금속(납) 포함 / 자동차, 골프카트 시동용 등에 사용

- 니켈 카드뮴 전지

  . 메모리 효과로 사용할수록 용량 감소 / 중금속(카드뮴) 포함 / 휴대용 전자기기 등에 사용

- 니켈 수소 전지

  . 니켈 카드뮴 전지의 계량형 /  고성능 / 노트북, 전기자동차 등에 사용

- 레독스 흐름 전지

  . 출력은 스택의 크기, 용량은 전해질의 양으로 정해짐 / 긴 수명 / ESS 등에 사용

- 리튬이온 전지

  . 2차 전지 시장의 대부분을 차지함 / 고성능 / 양극재에 따라 NCM, NCA, LFP 등으로 불림 / 전기차, ESS, 소형 전자기기 등에 사용

   (*양극재는 소재의 앞글자를  따서 3글자인 NCM:니켈,코발트,망간, LFP:리튬,철,인산 등으로 부름) 

- 차세대 전지

  . 리튬 메탈 전지, 리튬-황 전지, 전고체 전지, 나트륨 이온 전지, 리튬-Air 전지 
    (경제성 등의 이슈로 인해 아직 상용화는 오래 걸릴 것으로 예상됨)

 

4. 2차 전지의 구조

- 4대 구성요소: 음극(Anode), 양극(Cathode), 분리막, 전해질

- 전자는 도선으로 이동하고 이온은 분리막을 통해 이동한다.

- 산화반응과 환원 반응이 동시에 진행되면서 전류가 흐른다.

  (*산화반응: 전자를 내어놓음, 환원반응: 전자를 받아들임)

- 음극은 전자를 공급하는 전극(연료극)으로 전지의 성격을 결정한다.

  즉, 음극이 바뀌면 다른 전지가 된다.

 

※ 최근 전지의 개발은 에너지 밀도를 높이는 방향으로 추진되는 경향이 있다.

   (Wh/kg : 질량 대비 에너지양, Wh/L : 부피 대비 에너지양)