리튬 이온 배터리 구성 및 원리

소형 전자기기뿐 아니라 대형 전기 자동차까지 배터리 없이는 돌아가기 어려운 세상이 됐습니다. 대부분의 전자제품에서 사용되는 리튬 이온 배터리 혹은 리튬 이차전지로 불리는 배터리의 구성요소 및 원리에 대해서 알아보겠습니다.

 

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리튬 이온 배터리(Lithium - ion battery)

  리튬 이온을 매개체로 쓰는 배터리며 일차전지(=리튬전지)와 이차전지(=리튬이온전지)가 있습니다. 일차전지는 재사용이 불가능합니다. 이차전지는 충전과 방전을 통해서 수명이 다할 때 까지 사용할 수 있습니다. 실생활에서 핸드폰, 노트북, 전동공구, 자동차에 들어가는 배터리는 모두 리튬 이차 전지입니다.

 

  리튬 이차 전지를 충전 할 때 양극에서 리튬 이온이 전자를 받아 음극으로 이동합니다. 방전(=배터리 사용) 시 전자를 받고 음극에 저장된 리튬이온이 다시 전자를 방출하여 양극으로 이동합니다. 이 때 방출된 전자가 전자기기를 작동시키는 역할을 합니다.

 

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리튬 이온 배터리의 구성요소

  리튬 이온 배터리는 음극, 전해질, 분리막, 양극으로 구성되어 있습니다. 각각의 구성요소에 대한 역할과 어떤 종류가 있는지 아래의 표와 그림을 통해서 알아보겠습니다.

 

 

  음극, 양극, 전해질은 배터리의 성능을 결정하는 재료들입니다. 분리막도 성능에 영향을 미치지만 배터리의 안정성에 더 큰 영향을 미치는 재료입니다. 이때 음극과 양극은 가역적으로 리튬 이온이 들어가고 나가는 것이 가능하기 때문에 충전/방전을 통해서 여러번 사용할 수 있습니다.

 

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배터리 성능 결정 요인

 

#1. 용량(Capacity)

  배터리를 얼마나 오래 사용할 수 있는지 결정하는 요인입니다. 보통 양극 용량을 기준으로 배터리를 설계하게 됩니다. 양극의 용량은 재료마다 다르지만 1g 당 160 ~ 200 mAh 정도의 용량을 가집니다. 배터리를 병렬로 연결하면 용량을 증가시킬 수 있습니다.

 

 

#2. 전압(Voltage)

  배터리의 힘을 결정하는 요인입니다. 전압은 음극과 양극 사이의 기전력 차이입니다. 리튬이온배터리의 최대 충전 시 음극은 Li+ 기준으로 0V에 가깝고 양극 LCO의 경우 4.2V에 가까운 기전력을 가집니다. 따라서 최대 충전 시 리튬이온배터리는 4.2V의 전압을 가지고 사용 중에는 평균 3.8V의 전압을 유지합니다. 배터리를 직렬로 연결하면 전압을 늘릴 수 있습니다.

 

 

#3. 전력(Power)

  전력은 (용량) x (전압)으로 나타내며 단위는 와트(Watt)입니다. 전자기기의 소모전력을 안다면 몇 시간동안 배터리를 사용할 수 있는지 대략적으로 계산이 가능합니다. 예를들면 3,000mAh 용량을 가진 배터리를 사용하는 핸드폰의 평균 전력 소모량이 1W라고 가정해봅시다. 핸드폰의 전력은 3Ah x 3.8V = 11.4Wh입니다. 이것을 소모량 1W로 나눠주면 11.4h의 값을 얻을 수 있고 사용 시간이 11시간 24분이 나오게 됩니다.

 

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