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금속 이온 배터리를 구성하는 다양한 화학 물질

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글/리암 크리츨리(Liam Critchley), 저널리스트

제공/마우저 일렉트로닉스(Mouser Electronics)

오늘날에는 다양한 종류의 배터리 제품들이 사용되고 있으며, 가장 상용화된 제품 중 하나로 리튬 이온(Li-ion) 배터리를 꼽을 수 있다. 리튬 이온 배터리는 다양한 분야에서 사용되고 있으며, 휴대 기기나 노트북 PC 같은 다른 많은 제품을 구현하는 데 있어 핵심적인 역할을 해왔다. 리튬 이온 배터리는 이를 개발한 과학자들이 지난 2019년 노벨 화학상을 수상하면서 더욱 주목받게 되었다. 리튬 이온 배터리가 오늘날 기술을 주도하고 있다는 사실에는 변함이 없으며, 금속 이온 배터리에 속한 다른 많은 배터리 중에서도 효율성과 안전성이 탁월해 더 널리 사용되고 있다. 이 같은 배터리의 혁신엔 배터리가 작동할 수 있도록 만들어주는 수많은 화학 기술(재료 화학과 전기 화학)이 존재한다.

배터리를 구성하는 서로 다른 기본 화학 물질

모든 금속 이온 배터리는 충전식 배터리이다. 금속 이온 배터리의 생성에 기여하는 화학 물질들은 매우 다양하다. 모든 금속 이온 배터리는 두 개의 전극(양극과 음극), 전해질, 분리막, 그리고 외부 전자 회로로 구성된다. 금속 이온 배터리와 관련해서는 네 가지 주요 배터리를 예로 들 수 있다. 대표적인 배터리로는 리튬 이온(Li-ion), 알루미늄 이온(Al-ion), 나트륨 이온(Na-ion), 리튬이온 폴리머(LiPo) 배터리가 있다. 이 4개의 배터리들은 배터리 내부의 활성 전하 캐리어인 전극과 전해질, 이온의 구성에 따라 구별된다.

리튬 이온 배터리는 리튬 음극을 갖는 경우가 많은데, 이는 리튬 산화물, 리튬층 산화물 또는 다가 음이온 물질로 만들어질 수 있다. 양극은 탄소계이지만, 이를 구성하는 물질들은 상당히 다양할 수 있다. 다양한 탄소 화합물 중 양극 물질로서 가장 오랫동안 사용된 물질은 흑연이지만, 근래에는 그래핀이나 그래핀-흑연 하이브리드 전극이 사용되기 시작했다. 전해질은 액체이면서, 리튬 이온 운반에 효과적인 리튬염이다. 전해질은 에틸렌(또는 디에틸렌) 탄산염과 LiPF6, LiAsF6, LiClO4, LiBF4 또는 LiCF3SO3 음이온염 같은 다양한 유기화학 성분과 비수용성 성분의 복합 혼합물이다. 리튬 이온 배터리는 리튬 이온이 전극에 들어가 전기화학 반응을 효과적으로 일으키며 전극에서 쉽게 빠져나갈 수 있기 때문에 가장 효과적이다. 이는 배터리의 충전 및 방전 사이클을 보다 효율적으로 만들어준다.

나트륨 이온 배터리의 구성은 두 활성 이온이 단일 양전하를 띤다는 점에 있어 리튬 이온 배터리와 크게 다르지 않다. 나트륨 이온 배터리에서 나트륨 이온은 전하 캐리어이고, 음극은 나트륨 전이금속 산화물로 이루어진 복합 물질이며, 양극은 보통 비정질 탄소로 이루어져 있다. 전해질은 본질적으로는 수용성일 수도, 비수용성일 수 있으나, 리튬 이온 배터리에서 발견되는 비수용성 음이온염 전해질의 나트륨 당량이 가장 널리 사용되며, 이 중에서도 NaPF6가 가장 일반적이다.

알루미늄 이온 배터리는 상대적으로 인기가 높지는 않지만, 장래성은 매우 뛰어나다. 알루미늄 이온 배터리와 관련한 수많은 연구가 진행되고 있는 주된 이유는 알루미늄이 리튬 1개당 3개의 전하를 운반하기 때문에 훨씬 더 많은 에너지가 저장될 수 있다는 가능성 때문이다. 하지만 알루미늄 이온 배터리가 아직 상용화되지 못한 이유는 높은 유효 전하로 인해 전기화학 반응이 일어날 때 전하가 전극에서 빠져나오기 더욱 어렵기 때문이다. 알루미늄계 물질과 흑연은 각각 양극과 음극을 구성하는 경향이 있으며, 전해질은 염화알루미늄 종들로 이루어진 액체이지다. 하지만, 이 같이 기초를 이루는 부분들은 모두 아직 개발이 진행 중인 상태이며 새로운 연구 결과로 인해 더 효과적인 물질이나 화학 물질이 나올 경우 달라질 수 있다.

이들과는 조금 다른 배터리로 리튬 폴리머 배터리를 들 수 있다. 이는 실제로 기존의 리튬 이온 배터리의 변형된 형태이다. 두 개의 전극 모두 리튬 이온 배터리와 동일한 물질로 형성되는데, 다른 점은 바로 전해질이다. 이 전해질은 비수용성 액체가 아닌 폴리머로 이루어져 있다. 반고체 상태의 젤과 같은 밀도를 갖지만 여전히 리튬 이온을 수송할 수 있을 만큼 충분히 유동적이다. 리튬 폴리머 배터리에 사용되는 대부분의 전해질은 젤과 같은 밀도를 갖기 위해 유기용매에 분산되어 있는 폴리에틸렌옥사이드(PEO), 폴리아크릴로니트릴(PAN), 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA), 폴리비닐리덴플루오라이드(PVdF)와 같은 고체 폴리머로 구성되어 있다.

금속 이온 배터리의 작동 원리

지금까지는 전극을 구성하는 데 사용되는 물질과 전해질로 사용되는 물질에 대해 알아보았다. 대부분 금속 이온 배터리의 기본적인 작동 메커니즘은 동일하기에 모든 배터리의 작동 원리를 살펴보는 것보다 특정 배터리에 대한 예시를 살펴보는 편이 더 이해하기 쉬울 것이다. 가장 보편화한 리튬 이온 배터리를 예로 들어 설명하겠지만, 알루미늄 이온 배터리나 나트륨 이온 배터리의 경우에도 리튬 이온을 각각 알루미늄 이온과 나트륨 이온으로 대체하면 원리는 모두 동일하다. 물론 양극과 음극에서 일어나는 특정 전기화학 반응은 배터리마다 모두 다르다는 점을 알고 있어야 한다. 따라서 서로 다른 전기화학 반응을 자세히 언급하기에는 그 종류가 너무 많다.

충전식 배터리에는 충전과 방전이라는 두 가지 주요 메커니즘이 있다. 충전 메커니즘은 배터리가 에너지를 저장하는 과정이며, 방전은 장치에 전원이 켜져 있을 때 에너지를 방출하는 과정이다. 배터리가 충전되는 동안, 배터리를 충전하고 있는 전원의 전자는 음극의 리튬 이온과 결합한다. 이로 인해 이온은 전해질과 분리막 사이 양극 물질의 분자 구멍을 통해 양극으로 삽입되는데, 이를 인터칼레이션(intercalation, 층상구조가 있는 물질의 층간에 분자, 원자와 이온이 삽입되는 현상)이라고 한다. 그러면 에너지는 양극 내의 리튬 이온에 결합된 전자의 형태로 저장된다. 배터리가 장착된 장치에 전원이 켜지면, 양극은 산화반응을 일으키며 리튬 이온이 양극을 빠져나와 음극으로 이동한 후 삽입된다. 그러면 저장되어 있던 전자가 방출되며 장치에 전력을 공급하기 위한 전류를 생성한다. 배터리가 사용되지 않거나 충전되지 않는 경우, 리튬 이온은 전극 사이의 전해질 도체로부터 탈착된다.

맺음말

대부분의 금속 이온 배터리는 유사한 방식으로 작동하는데, 전극과 전해질로 구성되는 화학 물질에 따라 차이가 있으며, 이에 따라 배터리 내부에서 일어나는 전기화학 반응에 있어 서로 다른 영향을 미친다. 이 같은 전기화학 반응은 다른 전해질을 사용하는 동일한 배터리에서도 다르게 나타날 수 있다. 다양한 종류의 금속 이온 배터리 중 전극 사이를 쉽게 이동할 수 있고 전극의 분자 구멍에 끼이지 않은 채 필요한 전기화학적 반응을 일으킬 수 있어 오늘날 가장 효과적으로 활용되는 배터리는 리튬 이온 배터리이다. 알루미늄 배터리의 경우 그 미래는 무궁무진 하지만, 상용화되기 위해서는 높은 유효 전하로 인해 전하가 전극에서 빠져나오기 어려운 문제가 우선적으로 해결되어야 할 것이다.