충전 및 방전: 재충전 가능 배터리의 작동 원리
재충전 가능한 배터리는 어떻게 작동할까요? 간단하게 말하자면, 각 배터리는 음극과 양극을 분리하여 반응을 방지하도록 설계되어 있습니다. 저장된 전자는 회로가 닫혔을 때만 흐를 수 있습니다. 이는 배터리를 기기에 배치하고 기기를 켰을 때 발생합니다. 이제 리튬 이온 배터리의 충전 및 방전에 대해 고려해 보겠습니다.
리튬 이온 배터리의 충전 및 방전
회로가 닫히면, 양극(예: 리튬 이온 배터리의 LiCoO2)에 의한 전자에 대한 더 강한 매력이 음극(예: 리튬-흑연)으로부터 회로의 전선을 통해 양극 전극으로 전자를 끌어당깁니다. 이 배터리 화학 반응, 즉 전선을 통한 전자의 흐름이 전기입니다. 자세히 살펴보면, 배터리는 화학 에너지를 직접 전기 에너지로 변환합니다. 예를 들어, Zn이나 Li와 같은 고에너지 금속에서 화학 에너지를 저장할 수 있습니다. 이들은 전이 금속과 달리 d-전자 결합에 의해 안정화되지 않습니다. 리튬 금속은 가장 가벼운 금속이며 높은 특정 용량(3.86 Ah/g)과 매우 낮은 전극 전위(-3.04 V 대 표준 수소 전극)를 가지고 있습니다. 따라서 리튬은 고전압 및 고에너지 배터리에 이상적인 음극 재료입니다.
방전 중의 화학 반응
방전 중에는 리튬이 리튬-흑연 음극에서 Li에서 Li+(0에서 +1 산화 상태)으로 산화됩니다. 반응식은 다음과 같습니다:
C6Li → 6C(흑연) + Li+ + e–
이 리튬 이온들은 전해질 매체를 통해 이동하여 양극에서 리튬 코발트 산화물로 통합됩니다. 이 반응은 코발트를 +4에서 +3 산화 상태로 환원시킵니다:
CoO2(s) + Li+ + e– → LiCoO2(s)
전체 반응식은 다음과 같습니다(왼쪽에서 오른쪽 = 방전, 오른쪽에서 왼쪽 = 충전):
C6Li + CoO2 ⇄ C6 + LiCoO2
이 반응들은 배터리를 충전하기 위해 역으로 실행될 수 있습니다. 이 경우, 리튬 이온은 리튬 코발트 산화물 양극을 떠나 음극으로 돌아가 중성 리튬으로 환원되어 흑연 네트워크에 재통합됩니다.
배터리의 기본 원리
배터리는 화학 에너지를 직접 전기 에너지로 변환합니다. 다양한 종류의 배터리가 다른 재료 조합으로 존재하지만, 모든 배터리는 산화-환원 반응의 같은 원리를 사용합니다. 전기화학 전지에서는 두 전극 사이에 배치된 전해질에 의해 자발적인 산화 환원 반응이 일어납니다. 이 전해질은 이온 전도성을 가지며 전기적으로 절연됩니다. 산화 환원 반응은 원자의 산화 상태 변화를 일으키는 화학 반응입니다. 한 원소에서 다른 원소로 전자가 전달됩니다. 결과적으로, 전자를 기부하는 원소인 음극은 산화(전자를 잃음)되고, 전자를 받는 원소인 양극은 환원(전자를 얻음)됩니다.
예를 들어, 리튬 이온 전지는 서로 다른 재료의 두 전극으로 구성됩니다. 양극은 복합 재료로 만들어지며 Li-ion 배터리 셀의 이름을 정의합니다. 양극 재료는 일반적으로 LiCoO2 또는 LiMn2O4로 구성됩니다. 음극 재료는 전통적으로 흑연과 다른 탄소 재료로 만들어집니다. 흑연은 낮은 전압과 우수한 성능으로 인해 지배적인 재료입니다. 전해질은 액체, 고분자(고분자 젤로 전해질) 또는 고체일 수 있습니다. 분리기는 리튬 이온의 수송을 가능하게 하고 셀의 단락 및 열적 폭주를 방지하기 위해 다공성입니다.
충전 및 방전 과정
충전 과정 동안 Li+ 이온은 Li를 포함하는 음극에서 이동하여 전해질로 적셔진 분리기를 통과한 후 음극 호스트 구조로 삽입됩니다. 결과적으로, 전자는 외부 회로를 통해 반대 방향으로 통과합니다. 방전 중에는 음극(음극)에서 양극(양극)으로 전자가 외부 회로를 통해 흐릅니다. 방전 중의 반응은 전지의 화학적 잠재력을 낮추므로, 방전은 전지에서 전기가 소모되는 외부 회로로 에너지를 전달합니다. 충전 중에는 이러한 반응과 수송이 반대 방향으로 진행됩니다.
