리튬이온 전지

왜 배우는가: 리튬이온 전지는 ESS와 전기자동차의 핵심 축전 장치로 쓰이며, 열폭주와 화재 위험 때문에 구조와 동작원리를 정확히 이해해야 안전대책을 논할 수 있다. 기술사 시험에서는 구조, 충·방전 원리, 특징, 화재 원인이 반복해서 출제된다.

출제 이력: 제138회 4교시 2번, 제130회 4교시 3번, 제122회 2교시 5번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

리튬이온 전지는 리튬 이온이 음극과 양극 사이를 전해질을 통해 이동하며 충전과 방전을 반복하는 이차전지이다.

핵심 키워드

• 이차전지(Secondary Battery): 방전 후 외부 전기에너지를 공급받아 다시 충전하여 재사용하는 전지
• 리튬이온(Li⁺): 충·방전 시 양극과 음극 사이를 오가는 전하 운반체
• 양극(Cathode)·음극(Anode): 방전 시 기준으로 양극은 환원, 음극은 산화가 일어나는 전극
• 전해질(Electrolyte): 리튬이온을 전도시키고 전자는 통과시키지 않는 매질
• 분리막(Separator): 양극과 음극의 물리적 접촉을 차단하고 이온만 통과시키는 막
• 열폭주(Thermal Runaway): 발열이 발열을 부르는 연쇄 반응으로 셀이 파열·연소에 이르는 현상
• BMS(배터리 관리시스템): 셀 전압·온도·전류를 감시하여 과충전·과방전을 차단하는 장치

2. 개념 풀이

쉽게 말하면 리튬이온 전지는 리튬 이온을 '왕복 택시'처럼 태웠다 내리는 전지다. 방전할 때는 음극에서 리튬이온이 빠져나와 양극으로 가고, 충전할 때는 반대로 돌아간다. 이 과정에서 전자는 외부 도선을 지나 전기를 만든다.

정식으로는 음극 활물질의 리튬이 산화되어 리튬이온과 전자로 분리되고, 리튬이온은 전해질을 통해, 전자는 외부회로를 통해 양극으로 이동하여 양극 활물질에 환원되어 결합하는 전기화학 반응이다. 이때 두 전극의 전위차가 전압을 만든다.

방전 반응은 외부 에너지 공급 없이 자발적으로 일어난다. 충전은 외부 전원이 전자를 억지로 반대 방향으로 밀어 넣는 과정이므로 비자발 반응이다. 즉 충전은 전기에너지를 화학에너지로 저장하고, 방전은 화학에너지를 전기에너지로 되돌린다.

다음 구성 개념도 함께 알아 둔다.

• 삼원계(NCM): 양극재에 니켈(Ni), 코발트(Co), 망간(Mn)을 쓰며 에너지 밀도가 높다.
• LFP(리튬인산철): 양극재에 리튬인산철을 쓰며 구조가 안정적이고 열적 안정성이 우수하다.
• 리튬이온 폴리머 전지: 액체 전해질 대신 젤 타입 고분자가 전해질과 분리막 역할을 겸한다. 작동원리는 리튬이온 전지와 같다.
• 전고체 전지: 전해질을 고체로 바꾼 차세대 전지로, 누액과 폭발 위험을 줄이는 연구가 진행 중이다.

3. 등장 배경과 필요성

휴대폰, 노트북 등 소형 기기의 전원으로 쓰이기 시작하면서 에너지 밀도가 높고 자기방전이 적은 이차전지가 필요해졌다. 납축전지나 니켈카드뮴 전지보다 무게당 저장 에너지가 커서 리튬이온 전지가 널리 채택되었다.

이후 전기자동차와 신재생에너지 연계 ESS가 확산되면서 대용량 리튬이온 전지의 수요가 급증했다. 태양광과 풍력은 발전량이 일정하지 않으므로 남는 전기를 저장했다가 필요할 때 공급하는 장치가 필요하다. 리튬이온 전지는 이 역할에 가장 많이 쓰이는 축전 기술이다.

그러나 에너지 밀도가 높은 만큼 전해질이 인화성이 있고, 과충전이나 손상이 생기면 열폭주로 화재가 날 수 있다. 그래서 전지 자체의 안전 설계와 BMS 같은 관리 장치가 함께 발전해 왔다. 전기설비 기술자는 이 장점과 위험을 함께 이해해야 설계와 안전관리를 할 수 있다.

4. 구성요소·원리·절차

리튬이온 전지는 양극(Cathode), 음극(Anode), 분리막(Separator), 전해질(Electrolyte), 그리고 이를 감싸는 케이스와 두 개의 집전체(Current collector)로 이루어진다. 각 구성요소의 역할과 재료는 다음과 같다.

분리막은 전자를 차단하고 이온만 통과시키므로 내부 단락을 막는 핵심 부품이다. 분리막의 열 안정성이 낮으면 온도 상승 시 용융되어 단락이 확대된다. 전해질은 이온전도도가 높고 전기화학적 안정성과 발화점이 높아야 한다.

원리는 리튬이온의 삽입(intercalation)과 탈리(deintercalation)에 있다. 방전 시 음극의 리튬 원자가 산화되어 리튬이온과 전자로 분리된다. 리튬이온은 전해질을 통해 양극으로 이동하고, 전자는 외부 도선을 따라 이동하며 부하에 전기를 공급한다. 양극에 도달한 리튬이온과 전자는 양극 활물질에 환원되어 결합한다. 충전 시에는 외부 전원이 전자를 양극에서 음극으로 밀어주므로 이 과정이 역으로 진행된다. 방전은 외부 에너지 없이 자발적으로 진행되는 반응이다.

충·방전 절차는 다음과 같다.

• 충전: 외부 전원 인가 → 양극 리튬이온 탈리 → 전해질을 거쳐 음극으로 이동 → 음극에 삽입·저장
• 전자 이동: 양극에서 방출된 전자가 외부 회로를 따라 음극으로 이동
• 방전: 음극 리튬이온 탈리 → 전해질을 거쳐 양극으로 이동 → 양극에 삽입, 외부 부하에 전류 공급
• 전압 관리: 과충전·과방전을 막기 위해 배터리관리시스템(BMS)이 셀 전압과 온도를 감시하고 차단한다.

충전 시 셀 전압이 규정값을 넘으면 양극에서 리튬이 과도하게 빠져나와 음극 표면에 금속 리튬이 석출되는 현상이 생긴다. 이 석출물이 분리막을 뚫으면 내부 단락이 발생한다.

리튬이온 전지의 충·방전은 리튬이온이 전해질을 통해, 전자가 외부 회로를 통해 이동하는 전기화학 반응이다

5. 관련 법령·기준·표준

리튬이온 전지를 직접 규정하는 기준은 전기용품·전기설비·소방 분야로 나뉜다. 건축전기설비에서는 축전지 설비 및 ESS 설치 기준을 함께 본다. 구체적인 조문 번호는 확인된 범위에서만 적는다.

• 전기설비 기준: 2021-01-01부터 한국전기설비규정(KEC)을 적용한다. 옛 '전기설비기술기준의 판단기준'은 대체되었다.
• 소방 기준: 「소방시설 설치 및 관리에 관한 법률」(약칭 소방시설법)과 화재안전기준(NFPC·NFTC)에서 ESS 설치 시 안전 요건을 정한다. 2022-12-01부터 화재안전기준이 성능기준(NFPC)과 기술기준(NFTC)으로 나뉘었다.
• 설계 기준: 건설 분야 설계기준은 KDS 코드 체계를 따른다.
• 안전 관리: 「산업안전보건법」과 「건설기술 진흥법」이 시공·유지관리 안전을 규율한다.

리튬이온 전지 셀과 시스템의 기준값은 다음과 같다.

개정 연혁으로는 2021년 KEC 시행과 2022년 화재안전기준 체계 개편이 중요하다. ESS 안전 측면에서는 LFP 배터리가 NCM보다 화재에 상대적으로 안전하다는 평가가 확산되고 있다. 2023년에는 ESS 안전성 평가센터 건립이 추진되었다.

6. 유형과 비교

리튬이온 전지는 양극재 소재에 따라 NCM(삼원계)과 LFP(리튬인산철)로 나뉜다. 두 계열은 에너지 밀도, 열안정성, 가격에서 차이가 나므로 용도에 맞춰 선택한다.

표에서 보듯 NCM은 중량·부피당 에너지가 커서 주행거리가 중요한 전기차에 적합하다. LFP는 열적으로 안정하고 원가가 낮아 대용량 ESS에 많이 쓰인다.

리튬이온 전지와 다른 이차전지의 비교도 필요하다. 전해질 상태로 보면 액체 전해질 리튬이온 전지와 전고체 전지가 대비된다.