2차 전지의 대표 - 리튬 이온 전지의 구조

양극재 / 음극재 / 전해질 / 분리막으로 구성된다.

전지는 내부에 품은 물질들의 화학에너지를 산화-환원 반응을 통해 전기에너지로 변환하는 장치다. 도체를 타고 흐르는 전류는 전자의 이동으로 발현되는데 전지의 음극(-)은 전자를 내주면서 산화되는 물질이고, 양극(+)은 전자를 받아 환원되는 물질로 구성된다. 두 전극 사이에는 이온 형태의 전자를 전달하는 매개체인 전해질이 채워지고 음극재와 양극재가 직접 접촉하지 않게 하는 분리막도 필요하다.

리튬 이온 전지의 구조

음극의 산화 반응에 의해 생성된 전자는 외부 회로를 경유해 양극으로 이동하고 양극 물질과 환원 반응을 일으킨다. 전지를 사용해서 방전이 시작되면서 산화-환원 반응이 계속되면 전압은 차츰 낮아지고 결국엔 더 이상 전기 에너지를 생성할 수 없게 된다. 결국 다시 전기를 사용할 수 있도록 전기에너지로 다시 이온의 상태를 원래대로 돌려놓을 필요가 있다.  

충전 시에는 방전과는 정반대 반응을 진행시켜 다시 사용할 수 있도록 한다. 전지를 사용할 때는 전자가 회로를 따라서 음극에서 양극으로 이동한다면, 충전 시에는 외부에서 들어오는 전기 에너지로 전지 내에 이온이 양극에서 음극으로 이동한다. 마치 높은 곳에서 떨어 뜨린 공을 다시 높은 곳으로 올리는 것처럼, 음극으로 이온을 이동시켜 다음번 화학반응이 일어날 수 있는 여력을 확보하게 하는 것이다.

분리막의 구성

분리막은 양극과 음극이 만나는 것을 막으면서도 이온이 통과할 수 있도록 다공성 물질로 만들어진다. 충전 시 분리막 사이를 자유롭게 이동하기 위해서는 이온의 크기가 작을수록 유리하다. 우리 주변에서 흔히 볼 수 있는 스마트폰 충전기부터 전기차까지 리튬 이온을 활용한 2차 전지가 많은 이유도 원소 기호 3번인 리튬이 다른 이온들에 비해 충전 시 이동에 유리하기 때문이다.