스마트폰·가전제품 핵심 부품 충전·방전식으로 반영구 사용 내부재료 팽창·수축 반복 폭발 사고 원인될 수도 저온시 기능저하 등 과제
![[알아봅시다] 리튬이차전지](http://contents.dt.co.kr/images/201409/2014091202101876731001[1].jpg "[알아봅시다] 리튬이차전지")
◇작동원리는=배터리는 크게 양극, 음극, 두 극을 분리하는 분리막, 내부를 채우는 전해질로 구성돼 있습니다. 리튬이차전지의 경우 양극은 리튬코발트산화물, 음극은 흑연을 각각 전극물질로 사용합니다. 양 전극으로 전자가 이동하기 위해서는 리튬이온이 흑연으로 구성된 음극에서 나와 코발트산화물로 구성된 양극으로 흡수되는 인터컬레이션(intercalation)이 일어나야 합니다. 또 한 전극에서 다른 전극으로 리튬이온이 이동하기 위해서는 움직임을 도와주는 전해질이 필요한데, 전해질로는 물보다는 더 큰 전압(3.7V)을 형성할 수 있는 유기용매를 주로 사용합니다. 즉 양극과 음극의 재료가 각기 다른 전위에서 결정구조의 심각한 변화 없이 리튬이온과 전자를 수용하는 원리와 전해질이 리튬이온을 전달하는 원리를 각각 이용해 리튬이차전지가 작동하는 것입니다.
리튬이차전지는 충전과 방전을 반복하는 사이클 수명이 길고 휴대성이 우수하며 에너지 저장밀도가 높기 때문에 휴대정보기기용의 전원으로 적합합니다. 최근에는 전지 성능을 향상하기 위한 기술 개발이 이뤄지면서 대용량의 전원을 필요로 하는 분야에 점차 적용되면서 활용범위를 넓혀가고 있습니다. 흔히 사용하는 일회용 건전지는 일차전지의 한 종류로, 한번 사용하고 방전되면 재사용이 불가능합니다. 반면 리튬이차전지는 2차전지의 한 종류로, 여러 번 충전과 방전이 가능해 재사용이 가능하다는 점이 일반 건전지와 가장 큰 차이점이라 할 수 있습니다.
◇스마트폰 배터리 폭발사고 원인은=스마트폰 배터리는 리튬이차전지이고, 충전과 방전에 따라 전극 내부재료의 부피 팽창과 수축이 일어납니다. 스마트폰을 오래 사용하기 위해서는 에너지 저장밀도를 높여야 하는데, 이를 위해서는 주어진 체적에 많은 전극물질을 넣어야 합니다. 다시 말해 많은 재료를 넣게 되면 부피 팽창에 따른 응력이 외부로 나타나면서 부풀어 오르게 됩니다.
이러한 현상이 과해지면, 압력에 의해 분리막을 뚫고 양극과 음극의 물질이 만나 양극과 음극의 '합선'에 의해 불이 붙게 되고, 내부 과산화물의 산소와 가연성 유기전해질이 반응해 급격히 연소해 폭발이 일어나는 사고가 종종 발생하곤 합니다.
이 같은 사고를 예방하기 위해서는 무엇보다 안전규격에 맞는 배터리를 사용해야 합니다. 일체형 배터리의 경우 보조 배터리를 구매하는 경우가 많은데 안전규격에 미달하는 저가형 배터리를 사용하게 되면, PCM(휴대폰 전원인 리튬이온셀의 오작동을 막고 과충전 등에 따른 위험을 최소화하는 핵심 안전부품) 오작동으로 인해 배터리가 열화되고 폭발할 가능성이 있습니다.
이 때문에 보조 배터리 역시 규격에 맞는 배터리를 사용하는 것이 중요합니다. 한 가지 팁을 소개하면, 충전기와 스마트폰의 전압은 같으나, 충전기의 전류가 큰 경우가 있는데, 스마트폰 배터리의 충전 전류와 충전기의 전류가 맞지 않으면 충전기는 다량을 충전하려고 하고 배터리는 받아들일 능력이 부족해져 전극재료의 열화가 일어나 배터리 수명이 오히려 떨어지게 됩니다. 따라서 규격에 맞는 충전기(어댑터)를 사용하는 것이 중요합니다.
◇리튬이온전지와 리튬폴리머전지 차이점은=리튬이차전지는 내부에 들어가는 전해질에 따라 리튬이온전지와 리튬폴리머전지로 구분됩니다. 리튬이온전지는 유기액체 전해질을 사용하고, 리튬폴리머전지는 겔(gel) 형태의 폴리머 전해질을 사용합니다. 리튬이온전지는 양극과 음극 사이의 간격을 일정하게 유지하기 위한 구성과 함께 액체 전해질이 새는 것을 방지하기 위해 금속재질로 패키징을 합니다. 반면 리튬폴리머전지는 양극·전해질·음극을 일체화할 수 있어 파우치 등의 경량 재료로 최종 패키징을 할 수 있습니다. 또 고체형태에 가까운 겔 형태이기 때문에 액체 전해질을 사용하는 전지보다 안정성이 높습니다.
◇리튬이차전지 성능 개선점은=리튬이차전지의 성능을 높이려면 전압을 높이거나 전류량을 증가시켜 에너지 저장능력을 증가시켜야 하는데, 이를 위해서는 양극과 음극의 전기 저장량을 증대시키는 것이 필요합니다. 또 출력을 증대시키는 것도 필요합니다. 전지 내부의 전자와 이온의 이동이 빨라지면 확산속도가 빨라져 출력이 증가하게 됩니다.
아울러 겨울철 저온에서도 충분한 성능을 발휘할 수 있도록 저온 작동 특성을 향상시켜야 합니다. 같은 맥락에서 보면 고온에서도 심각한 손상을 입지 않고 안정하게 기능을 발휘할 수 있어야 하고, 전지 가격을 지속적으로 더 낮출 수 있도록 기술개 발이 이뤄져야 합니다.
대전=이준기기자 bongchu@dt.co.kr
자료제공=한국전기연구원
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