화재 위험을 방지해줄 2차전지 안전장치
뉴스를 보면 배터리 화재에 대한 소식을 심심찮게 만날 수 있다. 배터리 화재는 어떻게 발생하고 이를 위한 안전장치들은 어떤 게 있을까? 2차전지가 에너지를 충방전하는 원리는 양극과 음극 물질 간의 간접 반응으로 인한 전기 화학반응 에너지를 활용하는 것이다. 이때, 양극과 음극 물질이 직접 접촉하게 되면 급격한 반응 에너지 변화 차이에 의해 쇼트가 발생하고 이로 인해 화재로 이어진다. 특히, 외부 충격, 과열, 과충전 등의 이유로 배터리 셀의 분리막이 파괴되면 양극과 음극의 직접 반응으로 인한 단락 현상이 발생하게 된다. 그리고 이러한 분리막 손상으로 이한 화재를 방지하기 위해 다음과 같은 안전장치들이 적용된다. 1. Vent (가스 배출 장치) 분리막이 파괴되고 양극과 음극이 직접 반응하면 온도가 상승하..
높은 안전성과 출력 밀도를 지닌 꿈의 배터리, 전고체 배터리
전고체 배터리란? 2차전지 셀의 내부 구조는 양극, 음극, 분리막, 전해질로 이루어져 있다. 분리막을 통해 양극과 음극의 접촉을 차단시키고 전해질을 통해 양극과 음극 사이에서 이온들이 전달된다. 그리고 이 과정 중에 발생하는 전기화학반응을 통해 배터리의 충전과 방전 기능을 수행한다. 현재 우리가 가장 많이 사용하고 있는 2차전지는 리튬 이온 배터리로 이온 전달 매개체인 전해질이 액체로 되어있다. 하지만, 전고체 배터리는 이러한 전해질이 고체로 되어있어 분리막의 기능을 대신한다. 전고체 배터리의 장점 높은 안전성 전고체 배터리가 각광 받고 있는 가장 큰 이유 중 하나는 바로 배터리의 안전성 때문이다. 뉴스와 신문 기사를 보면 배터리 화재와 관련된 소식을 자주 접할 수 있다. 리튬 이온 배터리의 액체 전해질..
남는 전기를 효율적으로 관리하는 장치, ESS
저장이 어려운 전기에너지 필요한 에너지를 얻기 위해 우리는 발전소에서 전기를 생산해낸다. 그러나 전자는 끊임없이 움직이는 특성을 가지고 있기 때문에 생성된 전기는 보존할 수 없다. 때문에 현재 우리가 필요한 전기 수요보다 공급이 많으면 남는 전기는 모두 버려지게 된다. 이렇듯 끊임없이 이동하며 사라져 버리는 전기를 저장하기 위해서 우리는 전지를 만들어냈고 남는 전기를 저장하였다가 필요한 시점에 꺼내 쓰는 방법을 터득했다. ESS란? 최근들어 지구의 환경을 지키기 위한 움직임이 지속적으로 일어나고 있고, 그에 따라 신재생에너지라는 테마가 떠오르기 시작했다. 그리고 그와 함께 주목받고 있는 것이 ESS 배터리이다. ESS는 Energy Storage System의 약자로 에너지 저장 장치를 의미한다. 간단히..
2차전지의 제조 프로세스_(3) 화성 공정
화성 공정(Formation Process) 조립이 끝난 2차전지 셀은 화성 공정을 거치게 된다. 화성 공정은 배터리를 활성화시켜 전기를 띠게 하는 과정이다. 화성 공정은 Formation → Aging → IR/OCV의 순서로 이루어지며, 배터리의 충방전 및 에이징을 통해 배터리를 활성화하고 불량 셀을 선별하는 공정이라고 할 수 있다. Formation Formation은 전지를 충전하여 방전 상태의 전지를 활성화하고 방전용량을 검사하는 과정이다. Aging Aging은 배터리를 정해진 온도나 습도에서 일정 시간동안 보관하여 배터리 내부에 전해액을 충분히 분산시켜 이온 이동의 최적화 상태를 만드는 공정이다. IR/OCV 에이징 된 2차 전지의 내부저항(Internal Resistance) 분석과 개방 ..
2차전지의 제조 프로세스_(2) 조립 공정
조립 공정(Assembly Process) 조립 공정은 전극 공정을 통해 완성된 극판을 각각의 배터리 타입(원통형/각형/파우치형)에 맞게 조립하는 과정이다. 이때, 배터리 타입에 따라 케이스의 형태가 다르기 때문에 조립 공정 또한 약간씩 상이한 모습을 가지고 있다. 원통형 배터리 우선, 양면으로 코팅된 양극, 음극과 2개의 분리막을 와인딩 하여 젤리 롤 형태로 제조한다. 그 이후 양극과 음극 Tab을 코팅 처리가 안된 무지부에 용접하여 고정시킨다. 고정된 젤리 롤을 캔에 삽입한 후 음극 Tab은 캔 내부 중앙 바닥에, 양극 Tab은 위쪽에 용접하고 정량의 전해액을 캔에 주입한다. 끝으로 Beading과 Crimping 방식(통조림 밀봉 방식)을 통해 원통을 밀봉한다. 각형 배터리 각형 배터리는 원통형 배..
2차전지의 제조 프로세스_(1) 극판 공정
2차전지의 제조 공정 전기를 충·방전하며 에너지를 효율적으로 관리할 수 있는 2차 전지(배터리)는 타입별로 원통형, 각형, 파우치형의 각 케이스에 양극과, 음극, 전해액 그리고 분리막이 겹겹이 쌓여있는 구조로 되어있다. 그렇다면 이렇게 미세한 층상 구조를 가진 2차 전지는 어떻게 만들어질까? 단위 셀의 타입에 따라 제조 공정이 약간씩 다르지만, 2차 전지의 제조 공정은 크게 보면 극판 공정, 조립 공정, 화성 공정의 순서로 이루어진다. 극판 공정(Electrode Process) 전극 공정이라고도 불리는 극판 공정은 2차 전지에 들어가는 양극과 음극을 만드는 공정으로, 다시 믹싱 공정, 코팅 공정, 프레스 공정, 슬리팅 공정으로 나뉜다. (1) 믹싱(Mixing) 공정 믹싱 공정은 전극 공정의 첫 순서로..
전기차 배터리 회사 CATL와 드러나는 중국 배터리 굴기
전기자동차에 대한 수요가 지속적으로 증가하면서 전기차용 배터리에 대한 수요도 함께 증가하고 있다. 연간 누적 글로벌 전기차 배터리 점유율은 LG화학, CATL, 파나소닉이 1~3위를 앞다투고 있다. LG화학은 국내 자동차 회사 및 유럽 시장에서 두각을 나타내며, CATL은 중국 전기자동차 회사들에게 배터리를 공급하고 있다. 그리고 파나소닉은 이전부터 지속적으로 테슬라에게 전기차 배터리를 공급하고 있다. 이중, 중국 배터리 회사인 CATL 이전까지는 국내 및 일본 배터리 회사와는 비교가 되지 않는 배터리 후발 주자였지만 최근 급성장하며 중국발 배터리 굴기를 보여주고 있다. 그렇다면 CATL는 과연 어떤 회사길래 이렇게 성장할 수 있었을까? CATL 개요 CATL의 공식 명칭은 "컨템퍼러리 암페렉스 테크놀로..
2차전지의 안전성을 담당하는 '분리막'
분리막의 역할 2차전지의 단위 셀은 양극, 음극, 전해액 그리고 분리막으로 이루어져 있다. 분리막은 전해액 내부에서 물리적으로 공간을 분리시켜 놓는다. 절연 소재로 이루어진 분리막은 다음과 같은 역할을 가지고 있다. (1) 양극과 음극의 접촉 방지 2차전지 내부에서 이루어지는 전기화학 반응은 간접 반응을 통한 전기 에너지 생산으로, 전해액을 사이로 두고 있는 양극과 음극의 반쪽 반응에서 발생하는 전하들의 이동으로 이루어진다. 만약, 양극과 음극이 분리되지 않고 직접적으로 반응하면 연소 반응이 일어나고, 쇼트가 발생하여 화재가 일어나게 된다. 때문에, 전해액에 분리막을 삽입하여 양극과 음극의 접촉을 차단시킨다. (2) 이온들의 이동 통로 전기화학 반응 과정에서 리튬과 같은 이온들은 전해액을 타고 이동한다...
2차전지의 구성(Cell, Module, Pack)과 종류
2차 전지의 구성 전기 자동차와 ESS와 같은 대형 시스템은 배터리 셀 한개의 출력만으로는 필요한 전력을 유지할 수 없다. 때문에 여러개의 셀을 결합하여 하나의 배터리 시스템을 구성하여 사용한다. 배터리 셀(Cell)은 2차 전지의 가장 기본 단위로, 양극, 음극, 전해질, 분리막으로 구성된다. 배터리 모듈(Module)은 전지의 출력을 높이고, 외부의 충격이나 진동으로 보호하기 위해 일정한 개수의 배터리 셀들을 결합하여 하나의 프레임(Frame)에 넣은 조립체이다. 그리고 배터리 팩(Pack)은 여러개의 배터리 모듈들을 연결하고 열 관리 및 전기적 제어 시스템인 BMS(Battery Mangement System)을 추가한 최종적인 형태이다. 정리하면, 배터리 셀이 모여 배터리 모듈이 되고 배터리 모듈..
2차전지의 원리와 구성 요소
전지의 원리 전지는 화학 물질의 자발적인 산화, 환원 반응에서 발생하는 전자를 이용하여 전기 에너지를 생성하는 기기를 말한다. 전하가 잘 이동할 수 있는 공간(전해질)에 극성이 서로 다른 물질을 분리시켜 놓으면, 산화가 더 잘되는 물질에서 전자가 분리되어 전극을 타고 상대적으로 산화 반응이 느린 물질로 이동하여 환원을 일으킨다. 여기서 산화 반응이 일어나는 극을 음극이라고 하고, 환원 반응이 일어나는 극을 양극이라고 한다. 그리고 전자가 들어오는 극을 Cathode, 전자가 나가는 극을 Anode라고 한다. 이러한 전기화학반응에 한 방향으로만 일어나는 전지를 1차 전지라고 하고, 양 방향으로 일어나는 전지를 2차 전지라고 한다. 2차 전지는 방전된 전지에 외부 전원을 연결하여 다시 사용이 가능한 상태로 ..