전지를 만드는데 중요한 기타 부품으로 전지의 동작에는 능동적으로 작용하지는 않지만, 전지 포장재(케이스), 집전체, 안전장치 등을 들 수 있다. 먼저 전지를 외부 환경과 분리해 주는 케이스에 대해 살펴본다. 이미 전지의 외형을 설명할 때 설명된 내용이다. 전지의 케이스로 가장 많이 쓰이는 재료는 강판(steel sheet)이다, 강판은 내부의 전지를 보호할 수 있는 충분한 강도를 갖고 있고 또한 가공성, 가격 등에서 큰 장점을 갖고 있다. 외부환경에 강하고 표면이 미려한 스테인리스 강판이 있지만, 이 경우 가격이 올라가므로 보통 표면처리 된 탄소강으로 된 강판이면 충분하다. 상품화에는 외부 도색이나 부착 등이 필요하다. 강판 대신 알루미늄 포일로 파우치 형태로 전지를 감싸는 방법도 개발되었다. 이 경우도 전지를 여러 개 장착한 형태인 팩을 포장하기 위해서는 강판이 필요하다.
다음에 집전체(集電體, charge collector)는 활물질의 전기화학반응으로 생성된 전자를 모으거나 전기화학반응에 필요한 전자를 공급하는 역할을 한다. 집전체는 전기전도성이 우수하여야 하며 기계적인 성질도 우수해야 한다. 또한, 사용되는 전위에서 화학적 또는 전기화학적으로 안정해야 한다. 그리고 가격이 낮으며 용접(welding)이나 권취(winding) 등의 공정에 있어서 가공성이 좋고, 기계적 특성이 우수해야 한다. 보통 얇은 두께의 금속 포일을 집전체로 채용하고 있다. 현재 가격과 전도성의 측면으로는 알루미늄이 가장 우수한 값을 지니고 있고, 표면에 Al2O3 등의 안정한 부동태 피막을 형성할 수 있어, 화학적∙전기화학적으로 안정한 특성을 갖는다.
한편 리튬이온 이차전지의 음극 집전체로는 구리 포일(copper foil)을 사용하고 있는데 이는 알루미늄(Al) 금속이 낮은 전위에서 리튬 금속과 반응하여 합금을 형성하기 때문이다. 음극에서는 전지가 환원전위에서 동작하므로 대부분 금속이 안정하지만, Sn, Al, Ag, Pb 등 일부 금속은 리튬과 합금화 반응이 일어나서 사용할 수 없다. 사용 가능한 집전체로는 전기전도도가 우수한 구리(Cu) 금속이 널리 사용되지만. 이외에도 니켈(Ni), 스테인리스강(SUS), 티타늄(Ti), 코발트(Co) 등 리튬과 쉽게 합금을 형성하지 않는 금속이 가능하다. 그러나 전기전도성, 기계적 가공성, 열적 안정성, 가격 등을 고려하여 구리(Cu)가 가장 우수한 물성을 지니고 있어서 구리 포일을 사용하고 있다.
반면에 리튬이온 이차전지의 양극 집전체로는 산화 전위에서 안정한 금속이 필요하다. 알루미늄(Al)은 산화에 대하여 열역학적으로 매우 불안정한 금속이지만, 그 표면에 안정한 알루미나(Al2O3) 산화 부동태 막을 형성시켜 더 이상의 산화를 억제하여 알루미늄 포일(aluminium foil)을 양극 집전체로 사용하고 있다. 더구나 알루미늄 금속은 비교적 낮은 가격, 높은 전기전도도, 가공성, 낮은 밀도 등을 가지고 있어 리튬이온 이차전지의 집전체로 사용하기에 매우 유용하다.
다음에 리튬이온 이차전지의 중요한 부품으로 안전장치를 살펴보자. 현재 리튬이온 이차전지의 경우 정상적인 환경에서 사용하면 문제가 없지만, 외부 충격으로 인한 전지 단락 및 비정상적인 과충전 등과 같은 특수한 상황에서 전지 온도가 상승하게 되면 발화점과 인화점이 비교적 낮은 유기용매 및 반응성이 아주 높은 석출 된 리튬 금속 등으로 인해 위험한 상황이 발생할 가능성이 있다. 이러한 상황을 방지하기 위해 충전기, 휴대기기, 전지 팩 내부 보호회로 및 전지 내부에 많은 안전장치를 두고 있고 제조 시 품질검사를 엄격하게 실시하고 있다. 또한, 사용자의 오용이나 불가피한 사고에 대비하여 여러 가지 안전장치를 구비하고 있다.
리튬이온 이차전지 내부에는 PTC(positive temperature coefficient) 소자 및 안전변(safety vent)으로 구성된 CID(current interrupt device)가 있어 전지 온도 및 내압 상승 시 작동하여 전류를 차단하고 내부 가스를 바깥으로 배출해 줌으로써 전지를 안전하게 보호해 주는 역할을 한다.
먼저 PTC 소자는 온도가 어느 수준 이상이 되면 저항이 거의 무한대까지 커지게 되는 소자이다. PTC를 리튬이온 이차전지에 내장하게 되면 전지가 이상 고온으로 되었을 때 충∙방전 전류를 정지시킬 수 있게 된다. 또한, PTC 소자의 작동이 가역적이기 때문에 전류가 정지한 후 전지 온도가 내려가면 PTC 소자의 저항은 줄어들게 되어 다시 전지가 구동된다. 주로 사용되는 PTC 소자는 카본블랙과 온도가 상승해서 부피가 증가하면 열팽창이 가능한 고분자로 구성되어 있다. 온도가 상승하게 되면 PTC 소자 내의 고분자의 부피가 증가하게 되며 카본블랙으로 이루어진 전자 전달 경로가 끊어지면서 급격히 저항이 증가한다.
PTC 소자는 약 100℃에서 전지 저항이 무한대가 되도록 설정되어 있다. 이것은 분리막에서 발생하는 셧다운(shutdown) 온도보다 수십 도 정도 낮다. 따라서 이상 전류가 흐르면 우선 PTC 소자가 동작하여 온도 상승을 막게 되고, 이 소자만으로는 온도 상승이 중지되지 않게 되면 분리막의 셧다운이 일어나서 열 폭주를 저지하는 2단계의 안전 기구로 이루어져 있다. PTC에서의 차단만으로 온도 상승이 억제되는 경우, PTC의 작용이 가역적인 과정이므로 전지의 재사용이 가능하지만, 분리막의 셧다운이 발생하면 해당 전지는 폐기될 수밖에 없다. PTC 소자는 구조상으로 원통형 전지에서 주로 이용되고 있다. 그러나 대형 전지에서는 큰 전류가 필요해서 이 PTC 소자를 사용할 수 없는 경우가 많다.
다음에 보통 리튬이온 이차전지에 내장된 보호회로(protection circuit module, PCM)에 대하여 살펴본다. 휴대전화 등 휴대용 기기에는 과전류가 흐르면 자체적으로 전류를 차단하는 장치가 내부에 있어 휴대기기를 보호할 수 있도록 설계되어 있다. 또한 보호회로는 전지의 온도, 전압 및 전류를 검출하여 과충전, 과방전, 과전류 및 온도 상승 시 전류를 차단하여 전지를 보호하고 성능이 저하됨을 막도록 설계되어 있다. 보호회로는 일반적으로 과충전 검출 보호회로, 과방전 검출 보호회로, 과전류 검출 보호회로 및 온도 센서 등으로 구성되어 있다.
리튬이온 이차전지의 특성상 충∙방전 시의 전압, 전류, 온도 등의 최대치는 제한되어야 한다. 리튬이온 이차전지가 최적의 성능을 유지하기 위해서는 과충전 또는 과방전으로부터 보호되어야 하고 전지 온도가 모니터 되어야 한다. 그러므로 리튬이온 이차전지는 각 셀의 설정 전압을 제한하고 방전 시 셀의 전압이 너무 낮게 떨어지는 것을 막는 PCM의 내장이 필요하다. PCM에 의한 예방 조치로 인하여 과충전으로부터 생길 수 있는 리튬 금속의 석출 가능성이 배제된다. 또한, 셀 당 충전전압이 4.5V를 넘게 되면 유기 전해질이 분해되어 가스가 발생하게 되므로, 안전밸브에 압력을 가함으로써 셀 사이의 압력을 높이는 원인이 된다. 따라서 셀에서 전해액이 누출하게 되어 폭발의 위험성을 유발하는 원인이 된다. 현재 모든 종류의 리튬이온 이차전지에는 PCM이 적용되고 있으며, 전지가 여러 개 연결된 전지 팩의 경우에는 각 전지에 대한 특성치들을 개별적으로 관리하고 있다. 특히 전기자동차에 이 팩을 사용할 경우, 수천 개의 전지가 연결되어 있으므로 이를 개별적으로 관리 및 통제하는 것이 필요하다. 그래서 이를 위한 BMS(battery management system) 장치가 요구된다.
리튬이온 이차전지에서 이상 거동이 발생하게 되면 전지 내부에서 부반응으로 인한 전해액 분해가 발생하여 가스가 생성되고, 고온의 경우에는 전해액의 기화로 인한 가스가 발생하게 된다. 이 같은 경우에는 충전 및 방전 전류를 중단시켜야 한다. 이와 같은 기능을 수행하는 것이 전류차단장치(current interrupt device, CID)이다. 전지 내부에서 발생한 가스로 인해 내압이 상승하면, 알루미늄 디스크로 되어있는 CID가 반대 방향으로 튀어 올라 전류를 차단하는 원리로 작동하게 되며, 주로 원통형 전지에서 사용되고 있다.
