완전 셀(Full cell)과 반쪽 셀(Half cell)

보통 완전 셀은 실생활에서 사용하는 전지라고 이해하고 있고, 반쪽 셀은 완전 셀의 반만 있는 것이라고 이해하고 있습니다. 하지만 좀 더 자세히 이해하고 싶을 때 책으로 이해가 어려워 저만의 방법을 적어보겠습니다.

 

목 차

 

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기본 지식

  리튬 이온 배터리에서 전압은 리튬 금속과의 산화/환원 기전력을 기준으로 합니다. 전압은 비교 대상이 없으면 정의할 수 없기 때문입니다. 산/염기에서는 수소 이온의 기전력을 기준으로 하는 것처럼요. 즉, 충전된 흑연은 리튬 +0.01V의 전압으로 리튬 이온이 삽입/탈리가 됩니다. 충전된 LCO 양극은 +4.2V까지 전압을 높여줘야 리튬이 구조로 들어간다는 뜻입니다. 간단한 예로 높이도 기준을 어디로 잡냐에 따라 달라지기 때문에 인천의 수준 원점(해수의 높이)을 기준으로 산, 지형, 언덕의 높이를 측정하는 것처럼 어떤 원소를 기준으로 잡느냐에 따라서 기전력은 달라지기 때문입니다.

 

각 재료별 용량 및 기전력

 

  위 이미지에서 볼 수 있듯이 재료에서 Li/Li+로 이온화 될 때 기전력(Potential)이 얼마나 되는지를 보여주는 그림입니다. 음극재료와 양극재료의 기전력 차이가 클수록 전지의 전압은 높아집니다.

 

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반쪽 셀(Half cell)이란?

  음극 혹은 양극 쪽에 리튬 이온을 무한으로 공급할 수 있는 리튬 금속을 넣고 만든 셀(Cell)을 의미합니다. 즉, 배터리와 구성이 같습니다. 음극, 양극, 전해질, 분리막 다 존재합니다. 하지만 음극 혹은 양극에 기준전극을 넣고 배터리를 만들면 반쪽 전지입니다. 반대 전극에 리튬 금속이 있다면 충ㆍ방전 시 필요한 리튬 이온이 무한이기 때문에 음극재 혹은 양극재의 특성을 파악하는데 유리합니다. 즉, 음극 혹은 양극의 특성을 보기 위해서 특별하게 제작하는 셀이라면 반쪽 셀인 것입니다.

 

반쪽 셀(half cell)

 

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완전 셀(Full cell)이란?

  쉽게 우리가 일상생활에서 사용하는 리튬이온배터리입니다. 음극은 기전력이 낮은 물질 양극은 기전력이 높은 물질로 설계하여 완전 셀의 전압을 정할 수 있습니다. 반쪽 셀과는 다르게 리튬 이온을 무한하게 받거나 줄 수 없기 때문에 재료의 특성에 따라 설계를 잘해야 합니다. 완전 셀 평가의 장점은 전지의 특성을 이해할 수 있고, 양극과 음극의 조합 상성, 고속 충방전 시(고율속) 용량 변화량, 전해질과의 반응 등 실제 소비자가 사용할 배터리를 평가할 수 있는 장점이 있습니다.

 

완전 셀(Full cell)

 

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완전 셀, 반쪽 셀 활용

  반쪽 셀을 활용하여 음극과 양극의 특성을 분석합니다. 충방전 그래프를 확인하면 원하는 전압과 용량을 가진 배터리를 설계할 수 있게 됩니다. 그렇게 설계된 배터리를 제작하여 실제 거동을 분석합니다.

 

#1 음극과 양극의 반쪽 셀 충방전 곡선 확인

#2 완전 셀 적용 시 용량 예측

#3 실제 완전 셀 조립 후 평가 및 분석

#4 양극 및 음극재료와 전해질과 부반응 체크

 

반쪽 셀을 통한 완전 셀 충전 거동 예측

 

  아래 그림은 완전 셀의 방전 중 전압 변화를 나타내며 이러한 변화는 보통 음극재 혹은 양극재와 전해질과의 반응을 통해서 내부 저항 혹은 방전 메커니즘이 변하는 경우가 많습니다. 따라서 이럴경우는 전해질 및 전해질 첨가제를 변화하며 실험을 진행해야 합니다.

방전과 내부 저항의 증가

 

리튬 이온 배터리의 특성

 

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읽어주셔서 감사합니다 ^^