[과학과 놀자] 가벼우면서 출력 커 배터리 재료로 최적이죠

(142) 리튬이온전지

한경 DB

더 오랜 시간 사용할 수 있는 스마트폰, 한 번 충전으로 500㎞를 달릴 수 있는 전기자동차. 이런 기계를 만들기 위해 필수적으로 필요한 원소는 무엇일까? 바로 리튬이다. 우리가 사용하는 많은 기계는 리튬 이온 전지로 작동된다.

스마트폰으로 이 글을 읽을 때, 스마트폰 내부의 리튬 이온 전지에서는 어떤 화학반응이 일어나고 있을까?

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리튬은 원자번호 3번으로, 원자의 크기가 작고 밀도도 0.534g/㎤로 금속 중에서 가장 낮다. 가벼우면서도 높은 출력 전압을 낼 수 있고, 반응성이 매우 큰 알칼리 금속이다. 전자 1개를 내놔 리튬 이온(Li⁺)으로 존재하려는 경향성이 매우 강하다. 이때 배터리 내부에서 리튬 이온과 전자를 서로 다른 경로로 이동시켜 전자를 배터리 외부로 연결된 도선으로 이동할 수 있게 만든다. 이런 전자의 이동(전류)을 이용하는 것이 리튬 이온 전지의 기본 원리다. 리튬 이온 전지의 평균 전압은 3.4V로 일반 1.5V 망간 건전지에 비하면 매우 높다.

리튬 이온 전지는 양극재와 음극재, 전해액과 분리막으로 구성돼 있다. 전지의 양극재는 수산화 리튬, 탄산리튬과 같은 리튬 산화물과 니켈, 코발트, 망간 등과 같은 다양한 금속 화합물로 이뤄진다. 양극재의 금속 화합물 종류와 비율에 따라 전지의 특성이 결정된다. 음극재는 흑연으로 구성돼 있고, 흑연의 판상 구조는 양극에서 이동해온 리튬 이온을 저장하기에 유리하다. 전지가 충전될 때 양극에 있던 리튬 이온은 전해액을 통해 이동하고, 전자는 충전을 위해 전지에 연결된 도선을 따라 음극으로 이동한다.

전해액은 이온 전도도가 높은 LiPF₆(육플루오린화 인산 리튬)와 같은 염을 유기 용매에 녹인 것으로, 염은 리튬 이온을 안정적으로 음극까지 운반한다. 분리막은 양극과 음극 사이에 위치하고, 절연 소재인 폴리에틸렌이나 폴리프로필렌을 사용한다. 0.01~1㎛의 미세한 구멍을 통해 리튬 이온은 통과시키고 다른 물질은 거른다. 음극에 도달한 리튬 이온과 전자는 전지가 방전될 때 다시 양극으로 이동한다. 이때 도선을 통해 흐르는 전류를 우리가 이용한다.

그러나 리튬 이온 전지는 강한 충격에 의해 전해액이 누출되거나 양극과 음극이 합선되면 발화해 폭발하는 단점이 있다. 수십~수천 개의 배터리가 연결된 전기자동차의 경우 화재가 발생하면 전지가 연속적으로 폭발하며 발화해 진압이 매우 어렵다. 이 때문에 항공사에서는 휴대폰 보조배터리처럼 리튬이온전지가 포함된 전자기기를 화물용 캐리어에 넣지 못하게 한다. 배터리에 강한 압력이 가해지면 폭발할 수 있기 때문이다. 이 같은 문제를 해결하기 위한 대안으로 전해액 대신 고체나 겔 형태의 전해질을 사용한 리튬 폴리머 배터리가 개발됐다. 이 배터리는 전해액 누액으로 인한 발화를 막을 수 있을 뿐만 아니라 발화 방지 장치 등을 제거하며 배터리의 부피도 줄일 수 있다.

리튬 이온 전지의 수요가 급증하면서 리튬 매장량에도 관심이 쏠리고 있다. 지각 내 리튬 함유량은 약 0.006%로 염수에서 추출하거나 광산에서 채굴한다. 값이 매우 비싸 백색 황금으로 불리기도 한다. 그렇다면 리튬과 화학적 성질이 비슷한 알칼리 금속을 이용해 이온 전지를 만들 수는 없을까? 물론 가능하다. 배터리에서 리튬 이온 대신 나트륨 이온을 사용하면 된다. 게다가 나트륨은 리튬보다 매장량이 500배나 풍부하고 값도 저렴하다. 그런데도 나트륨 이온 전지의 개발이 더딘 이유는 무엇일까. 리튬과 나트륨의 화학적 성질은 비슷하지만 나트륨 이온의 크기가 리튬 이온보다 훨씬 커서 분리막을 통과하기 어렵다. 이온의 이동 속도도 느리고 전기 저항도 크다. 또 나트륨은 리튬보다 밀도가 크기 때문에 같은 크기의 배터리를 제작했을 경우 리튬 이온 전지보다 무겁다. 이 때문에 아직은 리튬 이온 전지가 폭넓게 활용되고 있다.

리튬 이온 전지는 500번 정도 충전과 방전을 반복하면 수명이 현저히 줄어든다. 수명이 다한 배터리를 별도 처리하지 않고 땅에 매립하면 전해액과 중금속이 흘러 나와 환경을 오염시킨다. 이를 예방하기 위해 폐배터리를 재활용하는 방법 등이 다각도로 검토되고 있다. 인터넷을 기반으로 한 초연결사회의 발달로 리튬 이온 전지의 필요성은 점차 높아질 것이다. 리튬 이온 전지의 발달과 함께 배터리 재활용 기술도 발맞춰 성장한다면 안정적이고 지속 가능한 에너지 개발 사회를 이룰 수 있을 것이다. √ 기억해주세요

유가연 인덕원고 교사

리튬은 원자번호 3번으로 원자의 크기가 작고 밀도가 0.534g/㎤로 금속 중에서 가장 작다. 가벼우면서도 높은 출력 전압을 낼 수 있고, 반응성이 매우 큰 알칼리 금속이다. 전자 1개를 내놓아 리튬 이온(Li+)으로 존재하려는 경향성이 매우 강하다. 이때 배터리 내부에서 리튬 이온과 전자를 서로 다른 경로로 이동시켜 전자를 배터리 외부로 연결된 도선으로 이동할 수 있게 만든다. 이러한 전자의 이동(전류)을 이용하는 것이 리튬 이온 전지의 기본 원리다.