리튬이온 배터리는 현대의 전기차를 실현시키는 핵심 요소입니다. 이 “공학에 대한 설명” 비디오를 통해 리튬이온 배터리의 작동 방식과 제조 과정을 확인할 수 있습니다.
이 비디오는 LG에너지솔루션에서 주최하며, LG는 미시간 주 홀랜드에 위치한 배터리 공장을 방문하도록 “공학에 대한 설명”의 주인공인 제이슨 펜스케를 초대했습니다. LG는 전기차 배터리 제조업체 중 하나로, 제너럴 모터스와 함께 운영하는 Ultium Cells LLC 합작법인을 통해 미국 내 4개의 배터리 공장을 건설하여 GM 전기차에 필요한 배터리를 공급할 계획입니다.
리튬이온 배터리는 주로 네 가지 주요 구성 요소로 이루어져 있습니다. 양 극과 음극은 각각 양극과 음극 단자입니다. 전해질은 충전 및 방전 중에 리튬 이온과 전자가 양극과 음극 사이를 통과하는 매체입니다. 구분막은 양극과 음극이 닿지 않도록 해주어 단락을 방지합니다.
양극은 배터리의 가장 비싼 구성 요소 중 하나로, 전기차의 가장 비싼 부품입니다. 그 구성은 다양한 경우가 있으며, 니켈 망간 코발트(NMC)가 가장 일반적입니다. 일부 자동차 제조업체는 더 경제적이고 희소한 원료를 적게 사용하는 선호도 높은 리튬 철 인산(LFP)으로 전환하고 있습니다.
양극은 일반적으로 그래핏으로 만들어지며, 그래핏은 많은 양의 리튬을 저장할 수 있는 특징을 가지고 있습니다. 더 많은 리튬을 저장할 수 있는 가능성을 가진 실리콘도 대안으로 제시되고 있습니다. 배터리 업체인 Sila Nanotechnologies는 실리콘 양극 기술로 전기차 주행 거리를 최대 20% 늘릴 수 있다고 주장하고 있습니다. 그러나 실리콘은 리튬을 흡수하고 방출할 때 크게 팽창하고 수축할 수도 있습니다.
현재의 리튬이온 배터리에서는 전해질이 리튬 염과 용매로 이루어진 액체입니다. 이를 통해 리튬 이온은 자유롭게 이동할 수 있으며, 배터리의 다른 재료와 반응하지 않으며, 동결되기 어렵고 불이 쉽게 붙지 않는 특징을 가지고 있습니다. 자동차 제조업체와 배터리 회사들은 일정 시간 동안 전해질이 고체 재료인 고체 전해질 배터리를 연구하고 있지만, 여전히 액체 전해질이 기본적인 선택지로 남을 것으로 예상됩니다.
마지막으로, 구분막은 리튬 이온이 통과할 수 있는 다공성 재료입니다. 이것의 미세한 구멍은 과열을 방지하기 위한 안전장치로 높은 온도에서 닫힐 수도 있습니다. 구분막이 단락을 막아줌으로써 리튬 이온은 양극에서 음극으로 이동할 수 있으며, 이 과정에서 전자가 방출되어 모터를 구동합니다. 충전 시에는 리튬 이온이 음극에서 양극으로 이동하게 됩니다.
리튬이온 배터리의 제조는 양극과 음극 재료의 슬러리를 섞은 다음 화장지(일반적으로 양극은 알루미늄, 음극은 구리로 만들어집니다)에 바르는 과정으로 시작합니다. 코팅된 화장지 조각은 구분막이 사이에 라미네이팅되고 여러 층으로 쌓이게 됩니다. 그런 다음 전해질이 주입되고 조립체가 노화 과정을 거칩니다. 완성된 셀은 모듈로 조립되며, 여러 모듈이 배터리 팩을 구성합니다.
주요 내용을 바탕으로 한 FAQ 섹션:
Q1: 리튬이온 배터리는 무엇이고, 어떻게 작동하나요?
A1: 리튬이온 배터리는 전기차를 구동하는 핵심 요소입니다. 양극과 음극 사이를 통해 리튬 이온과 전자가 이동하면서 전력을 공급합니다.
Q2: 어떤 구성 요소로 이루어져 있나요?
A2: 리튬이온 배터리는 양극, 음극, 전해질, 그리고 구분막으로 이루어져 있습니다.
Q3: 양극과 음극은 무엇을 의미하나요?
A3: 양극은 리튬을 저장하는 부분으로, 전기차의 비용이 많이 드는 부분입니다. 가장 흔한 양극 종류는 니켈 망간 코발트(NMC)입니다.
Q4: 양극은 어떻게 만들어지나요?
A4: 양극은 일반적으로 그래핏으로 만들어지며, 최근에는 리튬을 더 많이 저장할 수 있는 실리콘 양극이 연구되고 있습니다.
Q5: 전해질은 무엇인가요?
A5: 전해질은 리튬 이온이 배터리 내에서 이동할 수 있는 액체입니다. 현재 흔히 사용되는 액체 전해질은 리튬 염과 용매로 이루어져 있습니다.
Q6: 구분막은 무엇을 막아주는 역할을 하나요?
A6: 구분막은 리튬 이온이 통과할 수 있는 다공성 재료로, 단락을 방지하고 안전장치로 작동합니다.
Q7: 리튬이온 배터리는 어떻게 제조되나요?
A7: 리튬이온 배터리는 양극과 음극 재료를 혼합한 슬러리를 바르고, 다양한 층으로 쌓아 생산됩니다. 그 후 전해질이 주입되고 조립체가 완성됩니다.
주요 용어 및 특수 용어 정의:
– 리튬이온 배터리 (lithium-ion battery): 전기차를 구동하기 위해 사용되는 배터리로, 리튬 이온과 전자의 이동을 통해 전력을 공급합니다.
– 양극 (anode): 배터리에서 리튬을 저장하는 부분으로, 리튬이 양극에서 음극으로 이동함에 따라 전력을 생성합니다.
– 음극 (cathode): 배터리에서 리튬을 방출하는 부분으로, 리튬이 음극에서 양극으로 이동함에 따라 전력을 생성합니다.
– 전해질 (electrolyte): 리튬 이온이 배터리 내에서 이동할 수 있는 액체로, 리튬 염과 용매로 이루어져 있습니다.
– 구분막 (separator): 리튬 이온이 통과할 수 있는 다공성 재료로, 안전장치로 작동하여 단락을 방지합니다.
– 슬러리 (slurry): 양극과 음극 재료를 혼합한 액체로, 배터리 제조 과정에서 사용됩니다.
관련 링크:
– LG에너지솔루션