리튬이온 배터리 총정리

리튬이온 배터리의 구성 요소와 작동 원리에 대해 정리한 글입니다. 자세한 내용은 아래 포스팅을 확인해 주세요.

 

목차

1. 리튬이온 배터리 총정리

1-1. 리튬이온 배터리의 혁신과 스마트폰의 역사

1-2. 1차, 2차 전지

1-3. 리튬이온 배터리의 핵심 구성과 작동 원리

 

리튬이온 배터리 총정리

현재 우리 일상에서는 스마트폰이 필수불가결한 제품입니다. 작고 휴대하기 편하면서도 한 번 충전으로 오랫동안 사용할 수 있어 다양한 용도로 활용됩니다. 이러한 혁신은 리튬이온 배터리의 발전으로 이루어졌는데, 이 배터리가 휴대기기에 처음 도입된 시기는 언제일까요?

 

거슬러 올라가면 1983년, 세계 최초의 핸드폰으로 모토로라에서 출시된 일명 벽돌폰으로 불리는 다이나택 8000X가 등장했습니다. 이 핸드폰에 사용된 배터리는 니켈-카드뮴(Ni-Cd)으로, 대기 8시간/ 통화 30분이 가능했으며, 용량이 작고 메모리 효과가 심하여 완전히 방전되면 몇 분 안에 배터리 수명이 다하는 문제가 있었습니다. 그럼에도 발매가 3995달러로 우리나라에 출시된 가격은 당시 서울의 전세 값에 맞먹는 400만 원이었습니다.

 

우리나라에서도 1988년, 삼성전자가 국내 최초로 핸드폰 SH-100 모델을 선보였으며, 1996년에는 국내 최초로 리튬이온 배터리가 적용된 159g 플립형 휴대폰 애니콜 SCH-200F를 출시했습니다. 이 핸드폰은 리튬이온 배터리를 적용하여 가볍지만 한 번 충전으로 최대 90시간 대기 및 250분 연속 통화를 실현했습니다. 이렇게 리튬이온 배터리가 등장하고 급속도로 발전하여 현재의 스마트폰과 전기 자동차까지 이르렀습니다.

 

이를 가능하게 한 리튬이온 배터리에 대해 알아보기 위해서는 먼저 1차 전지와 2차전에 대한 이해가 필요합니다. 이 두 가지 전지의 개념을 살펴보면서 리튬이온 배터리의 혁신적인 발전을 더욱 명확히 이해할 수 있습니다.

 

 

1차 전지

1차 전지는 사용된 후에는 재충전이 불가능한 배터리입니다. 이러한 전지는 한 번 사용된 후에는 폐기되거나 재활용됩니다. 알카라인 건전지와 리튬 건전지는 1차 전지의 대표적인 예시입니다.

 

2차 전지 

2차 전지는 사용 후에 재충전이 가능한 배터리를 의미합니다. 이러한 배터리는 충전 후에도 여러 차례 사용할 수 있으며, 전기에너지를 화학 에너지로 저장하고 이를 사용자가 필요로 할 때 전기 에너지로 변환하여 사용합니다. 대표적으로 리튬이온 배터리와 니켈-카드뮴 배터리 등이 2차 전지에 속합니다.

 

요약하면, 1차 전지는 일회용으로 사용되며 재충전이 불가능하고, 2차 전지는 재충전이 가능한 배터리입니다.

 

리튬이온 배터리 구성 요소와 작동 원리

2차 전지를 대표하는 리튬이온 배터리는 리튬 이온을 전도하는 전해질을 사용하여 전기를 생산하고 저장합니다. 이러한 이온은 충전 및 방전 과정 중에 양극과 음극 사이를 이동하여 전기 에너지를 생성하거나 소비합니다. 리튬이온 배터리는 높은 에너지 밀도와 상대적으로 낮은 자기 방전 속도를 가지고 있어서 이동용 전자제품부터 전기 자동차에 이르기까지 다양한 용도로 사용됩니다.

 

이러한 배터리의 주요 구성 요소에는 양극, 음극, 전해질, 그리고 보호 및 제어 회로가 포함됩니다. 양극은 보통 이차 리튬이온 배터리에서는 양극으로 사용되는 리튬 코발트 옥사이드와 같은 물질로 만들어집니다. 음극은 일반적으로 탄화물이나 그래핀과 같은 탄소 기반 물질로 구성됩니다. 전해질은 리튬 이온의 이동을 촉진하는 역할을 합니다.

 

충전과 방전은 전자의 위치 에너지를 활용하여 이루어집니다. 충전 과정에서는 전압을 공급하여 전자를 양극에서 음극으로 이동시키는 과정이 진행되며, 방전 과정에서는 저장된 에너지가 필요할 때 다시 사용됩니다.

 

리튬이온 배터리는 가볍고, 높은 에너지 밀도를 가지며, 충전 및 방전이 비교적 빠르고 효율적입니다. 그러나 너무 높은 온도나 과충전 등의 부적절한 사용 조건은 배터리의 성능을 저하시킬 수 있으며, 때로는 안전 문제를 야기할 수도 있습니다.

 

이러한 배터리는 모바일 기기, 노트북, 카메라, 전동 자전거 등 다양한 전자 제품에서 사용되고 있습니다. 또한 전기 자동차 및 태양광 저장 시스템과 같은 대규모 응용 분야에서도 적용되고 있습니다.