이차전지

[요약] 외부의 전기에너지를 화학에너지의 형태로 전환하여 저장했다가 필요한 때에 전기를 발생시키는 장치

이차전지(secondary cell, storage battery, rechargeable battery), 혹은 축전지(accumulator)는 외부 전원으로 공급받은 전류를 전지 양극(+,-극)에서 물질의 산화 환원반응으로 외부의 전기 에너지를 화학 에너지의 형태로 전환하고 에너지를 비축해 두었다가 필요한 때에 전기를 생성해 내면서, 충전과 방전을 번갈아 할 수 있는 전지이다. 한 번만 쓰고 버리는 일차전지에 비해 여러 번 충전이 가능하다는 뜻으로 “충전식 전지”라는 명칭도 쓰인다. 여러 번 사용이 가능하므로 경제적이고 환경적 이점이 있다. 하지만 일차전지에 비해 가격이 고가이고 화학부나 금속적인 특성이 강하며, 자가 방전으로 인해 에너지를 빼앗기는 속도가 빠르다는 단점도 있다. 흔히 쓰이는 이차전지로는 납축 전지, 니켈-카드뮴 전지(NiCd), 니켈-메탈 수소전지(Ni-MH), 리튬이온 전지(Li-ion), 리튬이온 폴리머 전지(Li-ion polymer)가 있다.

니켈-카드뮴 전지는 니켈과 카드뮴을 전극으로 사용하는 이차전지이다. 1899년에 스웨덴의 융너(Jungner)가 처음으로 개발하였는데, 방전 과정에서 산화전극 및 환원 전극에서 일어나는 반응은 다음과 같다.

산화전극 (-극) Cd(s) + 2 OH-(aq) → Cd(OH)2(s) + 2 e-
환원전극 (+극) 2 NiO(OH)(s) + 2 H2O(l) + 2 e- → 2 Ni(OH)2(s) + 2 OH-(aq) 전체 반응은 아래와 같고 전압은 1.2 V에 해당한다.

충전 과정에서는 위에서 제시한 반응의 역반응이 일어난다.
Cd(s) + 2 NiO(OH)(s) + 2 H2O(l) → Cd(OH)2(s) + 2 Ni(OH)2(s)

기존의 Ni-Cd전지에서 Cd극을 수소저장합금으로 대체한 니켈-메탈 수소전지에는 음극에 수소저장합금(M), 양극에 수산화니켈(Ni(OH)2/NiOOH)이 사용된다. 분리막으로는 Ni-Cd전지와 같은 내알칼리성의 나일론 부직포, 폴리프로필렌 부직포 및 폴리아미드 부직포 등이 사용되고 있다. 전해액은 최대 이온전도성을 띠는 5∼8 M KOH 수용액이 사용되고 있다.

충전 시 음극에서는 수소저장합금에 물이 전기 분해된 결과로 생기는 수소이온이 만들어낸 환원반응이, 양극에서는 Ni(OH)2가 NiOOH로 되는 산화반응이 일어난다. 방전 시에는 반대로 음극에서는 수소화합물의 수소원자가 물이 되는 산화반응이, 양극에서는 NiOOH가 Ni(OH)2로 되는 환원반응이 발생된다.

니켈양극이 완전히 충전된 후에도 전류가 지속적으로 흐르는 과충전 상태에서는 양극에서 산소가 발생한다. 그러나 음극의 용량이 양극보다 크면 생겨난 산소가 음극표면으로 퍼져나가 산소 재결합 반응이 일어난다. 음극에서는 산소 소비를 위해 수소가 줄어들어 동일한 전기량이 비축되므로 전체적인 변화는 없다. 반대로 과방전 상태에서는 양극에서 수소가 발생하고 이 수소는 음극에서 산화되어 전체적으로 전지내압은 상승하지 않는다. 따라서 원리적으로 Ni-MH전지는 과충전과 방전시 전지내압이 증가하지 않으며 전해액의 농도가 변함없는 신뢰성이 높은 전지이다.

리튬이온전지는 (+)전극에 리튬-망간 산화물(Li-Mn-Oxide), (-)전극에 탄소(예를 들면 흑연)가 사용된다. 두 전극의 사이에는 리튬염이 용해된 유기질 전해액(액체)이 채워지며 리튬-이온의 이동을 돕는다. 또, 두 전극은 각각 원자의 격자구조 안에 리튬-이온을 저장이 가능하다.

리튬-이온전지의 충전과 방전이 되었을 때의 반응은 다음과 같다. 충전은 전기분해 하는 것이다. 리튬이온 전지에 공급되는 전기에너지는 (+)전극에서 리튬이온이 튕겨져 나오고, (–)전극에서 금속 리튬으로 석출되는데 사용된다. 별도의 전원 장치로 배터리를 충전하는 것은 양극에서 음극으로 전자를 이동시키는 과정일 뿐이다. 리튬-이온은 리튬-금속산화물 격자(+전극)로부터 격리판을 지나며 흑연격자(-전극)로 이동하여, 흑연격자에서 전자와 결합한다.
(+ 전극) LiCoO2 → Li1-xCoO2 + x Li+ + x e
(- 전극) x Li+ + x e + 6C → LixC6

방전할 때의 리튬-이온은 전자를 흑연전극(-)에 남겨두고 다시 (+)전극인 산화물전극으로 옮겨진다. 유의해야 할 점은 리튬-이온 전지의 충전과 방전 시 리튬 이온 자체는 (+)극과 (-)극을 오갈 뿐 산화가 되지 않는다는 것이다. 산화 환원에 참여하는 것은 코발트이다. 충전 때에는 Co3+가 산화되어 Co4+로 되고, 방전 때에는 Co4+가 환원되어 Co3+로 된다.

리튬이온 폴리머 전지는 말 그대로 리튬이온 전지인데 젤타입의 고분자(Polymer)가 양극과 음극 사이의 분리막의 역할을 하며, 전해질의 역할까지 하는 것을 칭한다. 리튬이온과 차별되기 위해서 폴리머라는 이름을 추가한 것이고 작동은 마찬가지다.

이차전지는 자동차의 시동을 돕는 기기, 휴대용 장치, 무정전 전원 장치 등 현재 높은 전력을 사용하는 곳에 사용하면 좋고, 특히 하이브리드 자동차, 전기 자동차 등에도 이차전지를 사용하여 값과 무게가 적으면서 수명을 늘리는 기술을 활용해가고 있다.