전고체전지란 무엇인가?_간단설명
1. 전고체전지란 무엇인가
전고체전지란 전류를 발생시키기 위해 지금까지 필요한 액체였던 "전해질"을 고체로
한 구조의 전지를 말한다.
전지는 주로"전극", "활물질", "전해질"로 구성되어 있어, 활물질이나 활물질에 포함된
이온이 전해질이란 수영장을 헤엄치는 것으로 전극 간에 전자를 통과시켜 전기를
발생시키고 있습니다. 결국, 전지를 구성하는 전해질은 "이온을 아주 빠르게 움직이도록
하는 특성"을 가지지 않으면 안돼는 것이다.
인간으로 말하면 전해질은 혈액에 포함된 수분과 같은 입장입니다. 혈액 중의 수분이
없어져 버리면 영양이나 노폐물의 이동이 원할하게 되지 않아 탈수 증상을 일으키죠.
전지도 똑같이 전해질이 없어지거나 얼어서 굳거나 하면 전기에너지의 이동이
원할하게 이루어지지 않아 전기가 흐를 수 없게 됩니다.
간단하게 기존 리튬이온전지구조를 볼까요,
그림 : 리튬이온전지의 구조
음극에서 양극으로 전자가 흐를 수 있기에 리튬이온이 음극에서 양극으로 이동하고
방전이 이루어진다. 충전 시에는 반대의 흐름으로 이루어진다. 세퍼레이터는 활물질
(산화물/카본 등)끼리 직접접촉을 막지만 리튬이온은 통과시킨다.
결국, 리튬이온전지의 전해질은 발화/폭발의 위험성이 있는 유기용매가 사용되고 있어
이중삼중의 안전대책이 불가피하다. 이런 위험한 액체전해질은 얼어서 고체가 되어버리면
전기를 흘리지 못하게 됩니다.
하지만 전고체전지에서는 전해질에 특수한 물질을 이용함으로써 고체인데도 불구하고
전기가 흐르도록 하였다.
2. 전고체전지는 지금까지의 전지와 무엇이 다른가? 강점과 약점
위에서 전해질은 액체의 수분과 같다고 말했습니다. 결국 전고체전지라는 존재는
혈액이 응고해서 딱딱히 굳은 인간이 살아가도록 한 것으로, 종래의 전지상식으로는
믿을 수 없는 것입니다.
전고체전지는 오랜 기간 실용화하는 것은 불가능하다고 생각되어 왔습니다만
고체임에도 불구하고 내부에서 전자를 운반하는 작은 물질(이온)이 흘러서 충분한
전기를 흘릴 수 있는 물질이 발견됨으로써 전고체전지의 개발이 활발해졌습니다.
그림 : 전고체전지의 구조
이온이 통과하는 전해질로 고체를 사용하고 있다. 활물질이 서로 접촉할 위험이 없기 때문에
세퍼레이터가 필요하지 않다.
그럼, 전해질이 고체가 되면 무엇이 바뀌는 것일까?
전고체전지의 특성
- 구조나 형태가 자유, 박형 등의 유연한 전지가 실현 가능.
- 작은 층을 곁치는 것으로 소형/대용량화가 가능
- 고체이기때문에 튼튼하고 수명이 길어서 열이나 환경변화에 강하다.
- 고속충방전이 가능.
종래에 전지로 사용되고 있는 액체전해질의 대부분이 위험한 물질로, 액이 세는 것은
치명적인 사고로 연결됩니다. 종래전지는 이"누액"을 막기 위해 튼튼한 용기가 필요했습니다.
그러나 전고체전지에서는 이런 것들이 불필요하기 때문에 전지가 얇아질 수 있습니다.
얇게 하거나 여러 층을 곁쳐서 다중구조를 만들거나 구부리는 것도 가능하게 됩니다.
더욱이 다소 상처가 나도 전지성능을 잃지 않아 수명이 길고, 열이나 압력 변화에도
강하기 때문에 다양한 환경에서 이용하는 것이 가능합니다.
다층화에 의해서 "작은 전지를 대량으로 집어 넣은 전지"를 만들 수 있으면 대용량임에도
불구하고 빠른 충전이 가능한 전지를 만들 수 있습니다.
전고체전지의 고체전해질은 크게 나눠서 "산화물계"와 "산화물계(세라믹)"으로 나뉘고,
각각 강점과 약점이 있습니다.
실제로 많은 전고제전지에서 전지를 주고받는 데에 "리튬이온"을 이용하고 있어.
결국, 전고체전지도 "리튬이온전지"의 일종이라고 생각할 수 있는 것입니다.
단, 이 리튬이라는 놈은 버릇으로 물과 반응하는 성질을 가지고 있습니다. 이 때문에
지금가지 전해질에 물을 사용하지 않고 유기용매 등의 위험한 전해질을 사용할 수밖에
없었습니다만 드디어 최근들어 불연성 전해질을 사용한 리튬이온전지가 개발되었습니다.
리튬을 이요하는 전지는 다양하지만 제각각 사용하는 "전극", "전해질", "활물질"이
다르다는 것에 유의할 필요가 있습니다.
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