이번 시간에는 리튬이온 배터리의 원리에 대하여 알아보도록 하겠습니다.
리튬 이온 배터리의 구조와 원리
먼저 가장 대표적으로 원통형 디자인의 구조를 보시면 아래와 같습니다.
이러한 부분 외 절연체,각 극 단자, 중심판, 개스킷 등이 있지만 동작 원리를 이해하는데 필요한
부분인 음극,분리막,양극 이 대표적인 소재 입니다. 그리고 이 세가지가 ‘전해액’이라는 곳에 함침
되어 있는 구조가 리튬 배터리 입니다. (리튬이온 배터리 4대 구성요소)
리튬 이온 배터리는 +양극(Anode)과 -음극(Cathod) 물질의 ‘산화환원 반응’으로 화학에너지를
전기에너지로 변환 시키는 일종의 장치입니다.
산화환원 반응이란, ‘전자(e-)의 이동’으로 일어나는 반응인데요, 전자를 잃으면 산화, 얻으면 환원 됐다고 합니다.
먼저 방전시 양극의 리튬이 하나의 전자를 내어주며 (리튬은 전해질, 전자는 도선)을 타고 이동하여 음극에서 다시 만나 리튬이 되어 차곡 차곡 쌓이게 됩니다.
충전 역시 마찬가지로 음극의 리튬이 전자를 내어주고 각각 이동하여 양극에서 다시 리튬이 되는 과정입니다.
여기서 생각해야 할 부분은 이러한 이동은 자연적으로 발생하는 것이 아니라, 전지 외부에 전압이라는 에너지나 부하가 생겨 반응이 일어난다는 것 입니다.
한계전류밀도
충전 과정에서 리튬이온은 전해질을 헤엄쳐 전극 표면과 매우 가까운 곳으로 이동해 전자를 주고받게 됩니다.
리튬이온이 전자와 반응하기 직전의 위치 즉 전극 표면과 매우 가까운 곳을 ‘OHP면’이라고 합니다.
리튬이온이 ‘OHP면’에 도착해 리튬으로 환원되고 이 리튬이 층상구조로 이루어진 음극에 차곡 차곡 쌓이게 되는 겁니다.
그리고 전해질의 모든곳에서 리튬이온이 균일하게 분포되어 있는것이 아니라. OHP면에서는 바로바로 환원반응이 일어나기 때문에 ‘OHP면’이 리튬이온 농도가 가장 낮고 멀어질수록 농도가 짙어지게 됩니다.
‘OHP면’부터 멀어지면서 리튬이온 농도가 거의 일정해지는 부분까지는 ‘확산방식’에 의해 리튬이온이 이동하고,
그 이외의 영역에서는 전압 또는 부하에 의한 외부 압력으로 대류이동이 발생하는 겁니다.
리튬이온이 ‘OHP면’에 도착하자마자 반응을 해버리면, 즉 확산이 잘되면 잘 될수록, 이동 가능한 전류가 증가 하는 겁니다.
충전을 예로들면 외부압력(과전압)인 전압을 높여줄 때마다 반응을 해버리는 겁니다.
하지만 무한하게 밀어 주는대로 반응이 되지는 않겠죠, ‘OHP면’의 리튬이온 농도가 0인 순간을
“한계전류밀도” 라고 합니다. 여기서는 아무리 전압을 높여봤자 더 이상 전류가 올라 가지를 않는다는 겁니다.
전자가 도선을 통해 이동 해 오더라도 더 이상 반응을 할(공급되는) 이온이 없기 때문에 전류가 빠르게 흐르고 싶어도 흐르지 못하는 겁니다.
여기까지 ‘리튬이온 배터리의 동작 원리’와 함께 추가로 ‘한계전류밀도’에 대하여 알아 보았습니다.
더 알아보고 싶으신 부분이 있으시면 성실히 답변 드리도록 하겠습니다.
<자료출처 : LG디스플레이 대학생 인플루언서_디플>