2차 전지에 대해 공부해보자

2차 전지란?

1. 정의 : 전류와 물질 사이의 산화환원과정이 여러번 반복 가능한 물질을 사용하여 만든 전지
*산화환원 : 반응물 간의 전자 이동으로 일어나는 반응으로 산화와 환원이 동시에 일어난다.
전자를 잃은 쪽을 산화되었다고 하며 전자를 얻은 쪽을 환원되었다고 한다.

2차 배터리(전지)란 쉽게 말해서 방전된 이후에도 충전을 통해 재사용이 가능한 전지를 의미 합니다.
충/방전을 통해 500~2000번까지 반복 사용이 가능하고 경제적이며 친환경적입니다.
반면, 1차 전지는 충전하여 재사용할 수 없는 전지로 우리가 일상 생활에서 자주 사용하는 건전지, 알칼리 전지 등이 이에 해당합니다.

2차 전지는 1900년대 최초 개발되었고, 1991년 일본 sony사가 최초로 리튬이온전지 상업화에 성공하며 큰 전환기를 맞았습니다.
현재 사용되고 있는 2차 전지 제품 역시 리튬이온전지로 당시의 원천 기술을 근간으로 삼고 있습니다.

현재 리튬이온전지가 2차 전지 시장을 주도하게 된 이유는 기존 2차 전지의 단점이었던 메모리현상이 없다는 점 때문입니다.
*메모리현상 : 완전히 방전되지 않은 상태에서 충전 시 배터리 수명이 줄어들게 되는 현상

이밖에도 리튬이온전지는 경량화 및 소형화가 가능하다는 점이 장점입니다.
짧은 충전시간 대비 수명이 오래 간다는 점. 납/수은 등의 유해물질이 없다는 특징을 갖고 있습니다.
리튬이 미래 산업의 쌀, 또는 하얀 석유 라고 불리게 된 것은 2차 전지가 미래 신성장 산업으로 떠올랐기 때문입니다.

2. 작동원리

리튬이온전지는 기본적으로 리튬이온이 양극재와 음극재 사이를 이동하는 화학적 반응으로 전기를 생산합니다.
충전은 양극에서 분리막을 지나 음극으로 이동하며, 방전은 음극에서 양극으로 이동하는 것입니다.

이때 추가적으로 양극과 음각 사이에서 리튬이온의 이동통로 역할을 해주는 물질인 전해액과
양극과 음극이 닿지않고 전해액에 다른 물질이 침범하지 않도록 방어해주는 분리막이 필요합니다.

그래서 일반적으로 양극재, 음극재, 전해액, 분리막 을 리튬이온전지의 필수 4 요소라고 이야기 합니다.

3. 발생위험

안전사고는 리늄이온만 이동해야 하는 전해액에, 다른 요소가 침투하게 되면서 주로 발생하게 됩니다.
즉, 안전막이 외부의 충격이나 높은 온도로 방어기능을 상실하게 된 경우를 의미합니다.

종종 뉴스를 통해 접하게 되는 배터리 폭발사고가 리튬이온 전지 사고의 대표적인 결과입니다.
이와 같은 문제점을 해결하고자 최근 각국에서는 많은 연구가 이루어 지고 있습니다.

4. 전기차 기반 2차 전지 쓰임

향후 리튬이온전지의 쓰임이 가장 많은 것으로 예상되는 산업은 단연 전기차 분야입니다.
전기차에는 기존 스마트폰, 노트북, 무선충전기에 쓰이는 규모와 비교할 수 없는 수준의 배터리를 필요로 하기 때문입니다.

전기차 기반 2차 전지 산업의 밸류체인은 4대 핵심소재의 생산에서부터 시작됩니다.
2단계로는 소재들을 한데 모아 배터리 소자를 제작하는 과정을 거치게 되는데, 이때 탄생되는 배터리 소자가 배터리 셀(Cell) 1개 단위가 됩니다.

3단계에서는 배터리 셀들을 다시 모아 특정 프레임에 장착하는 과정이 진행되고, 이때 완성되는 것이 배터리 모듈입니다.
최종적으로 다시 배터리 모듈들을 모아 온도제어장치 등을 추가해서 차량에 장착되는 배터리 팩이 완성 됩니다.

이후에 2차 전지는 수명을 다 할때까지 사용되다가 성능이 저하되면, 몇가지 처리작업을 거쳐 재사용 되는 절차를 거칩니다.

단계		과정	세부내용
생산단계	1	배터리 소재생산	배터리의 기본 소재인 양극재, 음극재, 전해액 등 생산
	2	배터리 셀(Cell) 생산	배터리 셀을 외부 충격과 열, 진동 등으로부터 보호하기 위해 일정한 프레임에 넣은 배터리 조립체
	3	배터리 모듈(Module) 생산	리튬이온 배터리의 기본단위. 생산된 소재를 사각 알류미늄 케이스에 넣어 셀 제작
	4	배터리 팩(Pack) 조립	전기차에 장착되는 배터리 시스템의 최종 형태, 배터리 모듈을 모아 각종 처리작업을 거쳐 팩 형태로 조립
사용단계	5	배터리 장착	완성된 팩을 전기차에 장착
	6	배터리 사용	배터리 수명기간까지 사용
	7	배터리 재사용	재정비 과정을 거쳐 재사용

 

5. 2차 전지 시장 점유율

IT 기기용 소형 이차전지는 2011년부터 세계 1위를 유지하고 있으며,
전기차용 중.대형 이차전지도 중국을 바짝 추격중입니다.

6. 차세대 배터리 시장

현재 리튬이온 배터리 기술의 한계를 뛰어넘기 위한 노력들이 계속되고 있습니다.
그 중 대표적인 대상이 바로 전고체 배터리 기술입니다.

전해질과 분리막 기반의 리튬이온 배터리 기술의 가장 큰 문제점은 안전사고 발생가능성이 있다는 것입니다.
그리고 배터리의 구성 형태 역시 제한될 수 밖에 없습니다.

전고체 배터리는 지금의 리튬이온 배터리 기술의 근간은 유지하되 전해질(액체)을 고체로 바꾸 단점을 극복하고자 하는 기술입니다.
전해질을 고체로 사용하다보니 전해질 유출로 인한 안전사고 발생 위험이 줄어들게 됩니다.
분리막 역시 필요하지 않게 됩니다.

자연스럽게 부피가 작아질 수 있음은 물론 배터리의 형태 역시 다양해 질 수 있다는 장점이 있습니다.
또한 배터리 무게, 부피 감소로 차량의 에너지 효율성이 높아지게 됩니다.

일본 후지경제연구소는 세계 전고체 전지 시장이 2035년엔 2조 7877억엔(약 28조 8800억원)에 이를 것으로 전망하고 있습니다.
높은 성장성이 예상되는만큼 주요 배터리 업체들은 전고체 배터리 개발에 총력을 기울이고 있는 상황입니다.