[염블리와 함께배우기] 2차전지 Part1 : 2차전지 기초 (구성원리, 종류, 4대소재) - 50대 월급쟁이 주식공부

Description

이 영상은 2차전지의 기초적인 원리와 중요성을 설명하며, 리튬이온 배터리의 구성 요소와 작동 방식을 상세하게 다룹니다. 2차전지는 다양한 전자 기기에 필수적인 요소로, 전기차와 같은 산업의 미래를 책임지고 있습니다. 각각의 배터리 유형(원통형, 각형, 파우치형)과 이들의 강점 및 약점, 그리고 배터리 제조 과정에서의 안전성 문제도 설명됩니다. 이 내용을 통해 2차전지의 기술적 원리와 산업적 중요성을 깊이 이해할 수 있습니다.

[함께배우기] 32일차, 2차전지 Part1. 2차전지의 기초(구성원리, 종류, 4대소재)

1. ⚡ 2차전지의 중요성과 개념

• 2차전지는 우리 인류의 미래에 필수적인 요소로, 스마트폰과 노트북을 포함한 다양한 전자 기기에 없어서는 안 될 존재이다. 

• 본 내용은 2차전지의 기본 개념 및 종류에 대한 기초 지식을 제공하며, 앞으로의 설명에서는 양극재및 음극재등의 세부 사항을 다룰 예정이다.

• 한국의 산업에서 2차전지는 반도체와 더불어 중요한 역할을 하며, 관련 지식을 마스터하는 것은 중대한 필요성이 있다.

• 2차전지에 대한 이해를 통해, 해당 분야의 기술적 원리 및 시장 동향에 대한 통찰력을 가지게 될 것이다.

2. ⚡ 1차전지와 2차전지의 기본 차이

• 1차전지는 방전만 가능하며 충전이 불가능한 배터리로, 일반적으로 소형 알카라인 전지로 대표된다.

• 반면 2차전지는 양극과 음극이 전기를 주고받으며 충전과 방전을 반복할 수 있어, 여러 번 사용할 수 있는 특징이 있다.

• 예를 들어, 1차전지는 군용 무기와 스마트 미터기 같은 고성능 장비에 사용되며, 방전률이 연간 1%로 10년간 사용이 가능하다.

• 2차전지에 대해 더 깊이 공부할 예정이며, 그 중요성과 기능 차이를 명확히 이해할 필요가 있다.

3. 🔋 2차전지의 기본 원리와 리튬의 역할

• 2차전지는 리튬이온 배터리 형태로, 양극과 음극 사이에서 리튬이온이 이동하면서 전기를 생성한다는 점이 핵심이다.

• 리튬은 전자를 방출하며 이온화되어 이동하는데, 이는 리튬 배터리의 구성 요소에서 가장 중요한 역할을 한다.

• 충전 과정에서 리튬이 양극에서 음극으로 이동하며, 이때 방전 상태의 배터리가 충전된다고 이해할 수 있다.

• 4대 요소 중 양극재는 리튬이온이 고정되는 '집'의 역할을 하며, 배터리 용량과 전압을 결정짓는 중요한 요소이다.

• 분리막은 양극과 음극이 물리적으로 접촉하지 않도록 하여 사고를 미연에 방지하는 역할을 하며, 리튬이온만 통과할 수 있도록 설계되어 있다.

3.1. 2차전지의 구성과 리튬의 역할

• 2차전지는 충전할 수 있는 배터리로, 원통형, 파우치형, 각형 등 다양한 형태로 존재한다. 

• 리튬이온 배터리에서 가장 중요한 구성 요소는 리튬이며, 리튬은 전자를 내주는 특성을 가진다. 

• 리튬이 이온화되면 전자가 이동하여 전력을 발생시키고, 이는 전기 모터를 구동하는데 기여한다. 

• 리튬 이온은 전도 과정에서 특정한 경로로 이동하며, 전자는 리튬에서 분리되어 다른 경로로 이동한다. 

• 리튬의 이온화 정도가 매우 강력하여, 금과 같은 다른 소재보다 더 효과적인 전도성을 보인다. 

3.2. 리튬이온 배터리의충전 및 방전 과정

• 리튬은 양극에서 이온화되어 충전 상태로 변하며, 이 과정에서 리튬이 음극으로 이동해야 충전이 완료된다. 

• 음극으로의 리튬 이동이 완료된 상태에서 배터리는 충전된 상태로 간주하며, 방전 시에는 다시 양극으로 리튬이동이 이루어진다. 

• 배터리의 주요 구성 요소인 리튬이온은 양극재의 '집'에서 방전 상태로 대기하고 있으며, 충전 시에는 이를 활성화시킨다. 

• 배터리의 용량과 전압은 양극재의 리튬 비중과 밀접한 관계가 있으며, 양극재가 전체 원가의 40%를 차지한다고 추정된다. 

• 전해액은 리튬 이온이 잘 이동하도록 돕는 역할을 하며, 고체 상태의 전고체 배터리는 화재 사고의 위험이 낮으나 현재 상용화에는 이르지 못하고 있다. 

3.3. ️ 음극재와 리튬의 역할

• 음극재는 리튬이온이 충전되는 장소로, 효과적으로 리튬을 저장하는 역할을 한다. 

• 흑연은 음극재로 주로 사용되며, 육각형 구조를 통해 리튬이온을 안고 저장하는데 효율적이다. 

• 최근에는 실리콘이 흑연을 대체할 가능성이 있으며, 이는 흑연보다 더 많은 리튬을 저장할 수 있어서 배터리 성능을 향상시킬 수 있다. 

• 음극재는 배터리의 수명을 결정짓는 중요한 요소로, 다양한 첨가물을 사용하여 성능을 개선한다. 

• 현재 음극재는 주로 중국에서 생산되고 있다. 

3.4. 전해질과 리튬 이온의 역할

• 전해질은 리튬 이온이 양극과 음극 간에 이동할 수 있도록 하는 매개체이며, 이는 배터리의 성능에 직접적인 영향을 미친다. 

• 리튬 이온은 양극에서 방전하고 음극으로 이동하며, 이러한 이동은 배터리의 충전 및 방전 과정에서 필수적이다. 

• 주로 액체 전해질이 사용되며, 이는 배터리의 성능 향상에 중요한 역할을 한다. 

• 리튬이 마치 출근과 퇴근을 반복하는 것처럼, 아이온은 전극 사이를 왕복하며 전기 에너지를 전달한다는 비유도 제시된다. 

• 결과적으로, 전해질과 리튬 이온의 상호작용은 배터리의 전체적인 성능과 안정성에 깊은 영향을 미친다. 

3.5. ️ 2차전지의 전해질과 분리막의 역할

• 전해질은 배터리의 성능을 향상시키는데 중요한 역할을 하며, 원가의 약 10%를 차지하는 것으로 추정된다. 

• 분리막은 양극과 음극의 물리적 접촉을 차단하여 화재 사고를 방지하는 데 필수적이다. 

• 이 분리막은 리튬이온이 통과할 수 있도록 미세한 구멍이 있으며, 안전성을 위해 양극의 안전이 매우 중요하다고 강조된다. 

• 전체 배터리 원가에서 분리막이 차지하는 비중은 약 15%에 달하는 것으로 보인다. 

4. 🔋 2차전지의 다양한 종류

• 2차전지는 크게 원통형, 각형, 파우치형의 세 가지 유형으로 나눌 수 있으며, 각 유형은 서로 다른 특성을 가지고 있다. 

• 원통형 배터리는 생산이 용이하고 비용이 낮지만, 에너지 밀도가 낮은 단점이 있어 이를 보완하기 위해 4680 배터리가 개발되었다. 

• 각형 배터리는 내구성이 뛰어나고 충격에 강하지만, 무게가 무겁고 냉각 장치가 필요하여 제조 과정이 복잡하다는 단점이 있다. 

• 파우치형 배터리는 높은 에너지 밀도와 자유로운 형태 변경이 가능하지만, 가격이 비싸고 충격에 약한 단점이 있다. 

• 2020년 기준으로 각 배터리 유형의 시장 점유율은 원통형 23%, 각형 49.2%, 파우치형 27.8%로 나타났다. 

5. 🚗 전기차 배터리의 가격 및 시장 점유율

• 전기차한 대당 배터리 용량은 95kg이며, 해외 기준으로는 kW로 측정된다.

• 한국의 전기차배터리는 68kW이며, 가격은 대당 약 만 달러, 즉 천만원에 달한다.

• 니켈, 리튬, 코발트, 알루미늄 등의 원재료가 포함되어 있으며, 니켈이 다량 사용되는 NCM811 양극재가 80%를 차지한다.

• 코발트의 가격은 720달러로, 비쌀 뿐 아니라 최근에는 코발트 풀이란 용을 사용하는 등 대체 방법이 모색되고 있다.

• 2022년 기준, 글로벌 전기차배터리 시장 점유율에서 CATL이 압도적으로 1위를 차지하고 있으며, 뒤이어 BYD, LG엔솔, 파나소닉, SK온, 삼성SDI가 있는 상황이다.

6. 🎉 2차전지의 다음 단계 안내

• 이번 세션에서는 2차전지의 개요를 설명하였고, 다양한 종류의 2차전지를 소개하였다. 

• 다음 시간부터는 각 2차전지의 특성과 작동 원리를 디테일하게 학습할 계획이다. 

• 발표자는 이번 주말에 대한 인사를 하며, 다음 주에 새로운 주제로 돌아올 것임을 예고하였다. 

• 따라서 청중은 이후 진행될 내용을 기대하며 휴식을 취할 수 있도록 안내받았다.