리튬이차전지의 원리

안녕하세요! 전기화학에 관심이 많은 아덜 홍구리입니다.

이번 내용은 앞선 포스팅에서 언급한 리튬이차전지의 작동원리에 대한 내용입니다.

 

리튬이차전지란 리튬이온을 기반으로 하여 전기에너지를 화학반응(산화·환원)을 통해 저장하는 장치를 뜻하고, 작동 개략도는 아래 그림과 같습니다.

리튬이온전지의 구조와 원리 from Carbon Energy2, 6-43(2020), https://doi.org/10.1002/cey2.29, CC BY 4.0

리튬이차전지는 방전 과정동안 음극(흑연)의 자발적 산화반응이 일어나게 되어 흑연에 있던 리튬 이온이 전해질을 통해 양극으로 이동하게 되고, 양극은 전자와 리튬이온을 얻어 자발적인 환원반응이 일어나게 됩니다.

 반대로, 충전 과정 동안은 음극의 비자발적 환원반응이 일어나게 되어 리튬이온이 흑연 층간사이에 삽입되게 됩니다. 양극에서는 도선을 통해 전자를 방출하여 비자발적 산화반응이 일어나게 됩니다. 이때 비자발적이라 함은, 외부 에너지 즉 전기에너지가 가해지는 것을 뜻합니다. 이것이 리튬이차전지의 작동원리이고 각 전극의 반응을 화학식으로 나타내면 아래와 같습니다.   

 화학식 옆에 나타내어 있는 것은 전위를 리튬을 기준으로 잡았다는 표시입니다. 

 

참고로, 산화는 전자를 잃는 것이고, 환원은 전자를 얻는 것을 뜻합니다.

더불어 저와 같은 초심자들이 간혹 가다 리튬 이온의 삽입 및 탈리로 인해 이뤄지는 현상만을 고려하여 화학식을 작성할 때에 리튬이온의 이동만을 고려하는 실수를 범하곤 합니다. 이런 것을 미연에 방지하고자 항상 charge balance를 고려하는 습관을 들이면 저와 같은 실수를 방지할 수 있을 것입니다. 

다음에는 리튬이차전지와 관련된 전극 및 4대 소재에 관한 내용과 더불어 전압과 전위의 차이에 대한 내용으로 찾아뵙겠습니다. 감사합니다!