배터리 구성 & 용어

 

전지의 구성 및 용어

 

배터리 구조

리튬이온배터리 작동 원리

각 전극의 전위차를 이용해 리튬 이온이 양극재와 음극재 사이를 이동하도록 하는 화학적 반응을 통해 전기를 출력하게 됩니다.

양극의 리튬 이온이 음극으로 이동하면 전자는 도선을 통해 이동한 후 음극에 저장되며 배터리가 충전되고
리튬 이온이 다시 양극으로 돌아가면 전자는 도선을 통해 이동하며 전류를 흐르게 해 전기 에너지를 방출합니다.

 

구성

• 양극재
• 음극재
• 전해질
• 분리막

 

 

 

양극재

배터리의 에너지밀도와 출력 등을 결정하는 핵심소재로 
NCM [니켈 (Ni), 코발트(Co), 망간(Mn)],
NCA [니켈(Ni), 코발트(Co), 알루미늄(Al)] 등의 종류가 있습니다.

 

음극재

충전 시 양극에서 나오는 이온을 음극에서 저장하는 소재
리튬이온배터리에서는 리튬이온을 저장합니다.
탄소 동소체 중 하나인 그래파이트 또는 실리콘을 음극재로 주로 사용합니다.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

전해질

리튬이온을 빠르고 안정적으로 이동시키고 양극과 음극의 표면을 안정화해 배터리의 수명도 늘리는 기능을 합니다.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

분리막

이차전지 내 두 전극을 분리시켜 물리적인 접촉에 의한 전기적 단락을 차단하며, 미세기공을 통해 이온이 두 전극 사이로 이동할 수 있는 통로를 제공함으로써 이온 전도성을 가지도록 하는 기능을 가진 필름소재이다.

 

 

 

---

 

 

전지의 기본 용어

 

Voltage (전압)

전류를 흐르게 하는 힘
양극과 음극의 전압 차이를 이용해 배터리를 구동합니다.

 

 

Capacity (이론 용량)

활물질안에 위치한 리튬이온을 끝까지 사용했을 때의 용량

주어진 방전 요건 하에서 전지를 완전 방전 시켰을 때의 전하량으로서 전류와 시간의 곱으로 구합니다.
전지의 이론 용량은 전지의 활물질의 양에 의해 결정되며, 다음 식으로 계산합니다.

이론 용량 식

F는 Faraday 상수
x는 전지가 완전히 방전되는 동안 생성되는 전자의 몰 수

실제 용량 Cp의 경우 반응물이 방전반응에 100% 참여하지 못하기 때문에 이론 용량보다 작은 값을 가집니다.

 

 

충/방전 시간

충방전 시간 공식

h는 완전 충/방전 하는데 걸리는 시간
Cp는 실제 용량
i는 충/방전 전류

 

 

Energy Density (에너지 밀도)

에너지 밀도  = 용량 x 전압

양극과 음극의 높은 에너지밀도를 위해선 다음과 같은 조건이 필요합니다.
양극 : 고용량 & 고전압 구동 -> 고에너지밀도
음극 : 고용량 & 저전압 구동 -> 고에너지밀도

배터리는 양극과 음극의 전압차를 이용하기 때문에 전압차가 커야 효율이 높습니다.

 

Cycle life/cyclability (수명 특성)

수명 유지율 (%) = 사이클 후 용량 / 초기 용량
배터리 기본 성능 지표

SOC (State of Charge) 얼마나 충전되어 있는가
DOD (Depth of Discharge) 방전깊이는 전지의 잔존용량을 표현하는 다른 방법

위 두 요소에 따라 수명특성이 달라집니다.

 

 

 

 

 

Coulomic Efficiency (쿨룽 효율)

 

충/방전 효율 (%) = 방전 용량 / 충전 용량 

쿨룽 효율이 높을수록 전지 내부 부반응(side reaction)이 적어 용량 손실이 적음을 의미
(상용 배터리의 경우, 100%에 근접한 쿨룽효율 구현)

초기쿨룽효율은 첫 번째 사이클에서의 쿨룽 효율을 의미하는 것으로, 
Solid-Electrolyte- Interphase (SEI) 생성과 밀접한 연관이 있습니다.