리튬이온 전지

개념 정의

리튬이온 전지는 리튬이온이 음극과 양극 사이를 오가며 충전과 방전을 반복하는 이차전지다.

방전 후 외부 전기 에너지를 다시 공급받아 재사용하므로 이차전지라고 부른다.

ESS와 전기자동차의 핵심 축전 장치라서 구조와 원리를 정확히 알아야 한다.

구조

리튬이온 전지는 양극, 음극, 분리막, 전해질로 이루어진다.

음극은 흑연이고, 양극은 NCM이나 LFP 같은 리튬 금속산화물 또는 인산염이다.

분리막은 전자를 차단하고 이온만 통과시켜 양극과 음극의 접촉을 막는다.

전해질은 리튬이온을 전달하고, 집전체는 전자를 외부 회로로 모은다.

충·방전 원리

방전할 때 리튬이온은 음극에서 빠져나와 전해질을 거쳐 양극으로 이동한다.

이때 전자는 외부 도선을 따라 이동하며 부하에 전기를 공급한다.

방전은 외부 에너지 없이 자발적으로 일어나는 반응이다.

충전은 외부 전원이 전자를 반대로 밀어 넣는 비자발 반응이다.

정리하면 방전은 음극에서 산화, 양극에서 환원이 일어나는 과정이다.

양극재 비교

양극재에 따라 리튬이온 전지는 NCM과 LFP 두 계열로 나뉜다.

NCM은 니켈, 코발트, 망간을 쓰며 에너지 밀도가 높다.

LFP는 리튬인산철을 쓰며 열적 안정성이 우수하고 원가가 낮다.

그래서 주행거리가 중요한 전기차에는 NCM, 대용량 ESS에는 LFP가 많이 쓰인다.

열폭주와 화재

열폭주는 발열이 발열을 부르는 연쇄 반응으로 셀이 파열되거나 연소에 이르는 현상이다.

과충전으로 생긴 덴드라이트나 외부 충격이 분리막을 뚫으면 내부 단락이 생긴다.

온도가 80~120도에 이르면 SEI 층이 무너지고, 130~150도에서 분리막이 녹아 단락이 확대된다.

과방전으로 구리 집전체가 용해되어 재충전 때 내부 단락의 원인이 된다.

따라서 예방 설계와 BMS 감시가 열폭주를 막는 핵심이다.

화재 소화와 ESS 안전대책

리튬이온 전지 화재는 내부 반응이 스스로 진행되어 외부 소화만으로 막기 어렵다.

배터리가 산소를 따로 공급하지 않아도 반응이 계속되고, 최초 진압 뒤 재발화할 수 있다.

ESS 안전대책은 셀 보호회로와 BMS 감시, 설치 공간의 소화와 환기, 이격 조치로 나눠 쓴다.

분리막은 PE나 PP로 만들며, 용융 온도 부근에서 기능을 잃어 단락이 급증한다.

정리와 직접 풀기

정리하면 리튬이온 전지는 리튬이온이 전해질을, 전자가 외부 회로를 지나며 움직이는 전지다.

열폭주는 내부 단락에서 시작되어 연쇄 발열로 이어진다.

LFP는 안정성, NCM은 에너지 밀도에서 우위에 있다.

직접 풀어 보자.