[2차전지-1편] 리튬이온전지의 기본원리

간략한 요약

이 비디오에서는 1차 전지와 2차 전지의 기본 원리와 구조를 설명하고, 볼타 전지와 다니엘 전지를 예시로 들어 전지 작동 원리를 자세히 설명합니다. 또한 리튬 이온 전지의 구성 요소와 충전 및 방전 과정에서 일어나는 현상을 설명하며, 전극, 전해질, 분리막, 집전체의 역할을 강조합니다.

1차 전지와 2차 전지의 차이점과 공통점
볼타 전지와 다니엘 전지의 작동 원리 및 개선점
리튬 이온 전지의 구성 요소와 충전/방전 과정
전극, 전해질, 분리막, 집전체의 역할

서론: 1차 전지와 2차 전지

1차 전지는 한 번만 사용 가능하고, 2차 전지는 충전하여 재사용할 수 있습니다. 두 전지 모두 화학 에너지를 전기 에너지로 변환하며, 양극, 음극, 전해질, 분리막 등의 구조가 유사합니다. 최초의 전지는 볼타 전지로, 1차 전지에 해당합니다.

볼타 전지: 구조와 작동 원리

볼타 전지는 양극(구리), 음극(아연), 전해액(묽은 황산 수용액)으로 구성됩니다. 아연은 구리보다 이온화 경향이 커서 전자를 잃고 전해액으로 녹아 나오며, 이 전자는 도선을 따라 구리로 이동합니다. 이동한 전자는 전해액 속 수소 이온과 반응하여 수소 기체를 발생시키고, 이 과정에서 전류가 흐릅니다. 이온화 경향은 원소가 전자를 잃거나 얻어 안정화되려는 성질을 나타냅니다.

볼타 전지의 한계와 다니엘 전지의 등장

볼타 전지에서 아연은 전해질 속 수소보다 이온화 경향이 커서 녹아 나오지만, 구리는 수소보다 작아 녹지 않습니다. 아연과 수소가 반응에 직접 참여하는 활물질입니다. 구리 표면에 수소 기체가 달라붙어 전압을 떨어뜨리는 단점을 개선한 것이 다니엘 전지입니다.

다니엘 전지: 구조와 작동 원리

다니엘 전지는 양극(구리), 음극(아연), 전해질(황산 아연, 황산 구리), 분리막(질그릇)으로 구성됩니다. 분리막은 두 전해질을 분리하고 이온을 통과시키는 역할을 합니다. 아연은 전자를 잃고 전해질로 녹아 나오며, 구리 이온은 전자를 얻어 구리 금속으로 석출됩니다. 다니엘 전지는 수소 기체가 발생하지 않아 볼타 전지의 단점을 개선했습니다.

다니엘 전지의 충전과 한계

다니엘 전지에 외부 전압을 가하면 아연 금속이 석출되고 구리가 이온화됩니다. 하지만 다니엘 전지는 1차 전지이므로 충전하여 재사용할 수 없습니다. 충전 과정에서 활물질의 모양이 변하거나 수소 기체가 발생하여 전지가 파괴될 위험이 있습니다.

전위와 이온화 경향

이온화 경향이 큰 금속은 음극으로 사용됩니다. 표준 환원 전위를 통해 이온화 경향을 비교하고 전지 전압을 측정할 수 있습니다. 전위는 전기의 위치 에너지로, 전위차가 클수록 전류 흐름이 커지고 전압도 커집니다. 전자는 전위가 낮은 곳에서 높은 곳으로 이동합니다.

리튬의 특징과 리튬 이온 전지의 등장

리튬은 표준 환원 전위가 가장 큰 금속으로, 2차 전지에 많이 사용됩니다. 리튬은 가볍고 에너지 밀도가 높아 고성능 전지를 만들 수 있습니다. 하지만 금속 리튬을 음극으로 사용하면 덴드라이트 형성으로 인한 쇼트 및 폭발 위험이 있습니다.

리튬 이온 전지: 작동 원리

리튬 이온 전지는 리튬 이온이 양극과 음극을 이동하며 전자가 이동하는 원리를 이용합니다. 음극(흑연)과 양극(금속 산화물)에는 리튬 이온이 들어갈 수 있는 층이 있습니다. 방전 시 리튬 이온은 음극에서 양극으로 이동하고, 충전 시에는 양극에서 음극으로 이동합니다.

리튬 이온 전지의 충전 과정

충전 시 외부 전압에 의해 전자가 양극에서 음극으로 이동하고, 리튬 이온도 함께 이동합니다. 전자는 음극에서 더 높은 위치 에너지를 가지며, 이 에너지는 화학 에너지 형태로 저장됩니다. 충전 과정에서 전극의 전위차가 변화하고, 특정 전압에 도달했을 때 리튬 이온과 반응합니다.