2차전지를 구성하는 3대 구성 요소는 양극, 음극, 전해액이다. 추가로 격리막을 포함하면 4대 구성 요소로 분류된다.
2차전지의 원리는 1차전지인 건전지와 같다. 양극과 음극이 반응을 하기 위해 전지 내부에서 이온이 이동하고 이어 외부 선을 통해 양극과 음극 사이에서 전자의 이동이 발생한다. 이러한 전자의 에너지 차를 이용해 전기적인 일을 하게 된다.
이때 양극과 음극을 포함한 전극은 전기 화학반응을 할 뿐 직접 전기를 저장하는 소재는 양극·음극 활물질이다.
리튬2차전지에서 양극활물질의 주요 재료는 기존에는 리튬코발트옥사이드(LiCoO?)란 화학물질을 사용했으나, 코발트 가격의 상승과 에너지효율이 높이기 위해 니켈과 망간, 인산화철 등 다양한 재료가 혼합돼 사용된다. 반면에 음극활물질에는 천연흑연과 인조흑연이 주로 사용된다. 또 전자 전도성을 높이기 위해 전도성이 좋은 카본 블랙이나 미세 금속 입자를 첨가하기도 한다.
전해액은 이온이 이동하는 통로 역할을 한다. 전극이 효율적인 반응을 하기 위해서 전극과 전해액은 이온이 이동될 수 있도록 접촉하고 있어야 하며, 전해액은 이온의 이동 속도를 높여줘야 한다. 전해질은 카보네이트 계열의 용매에 리튬염(LiPF?)을 일정 농도 녹여 사용한다.
양극과 음극은 내부 저항을 최소화하기 위해 밀접하게 접촉해야 하지만, 직접적인 접촉이 발생할 경우 내부 단락이 일어나면 전지의 기능을 못한다. 이를 방지하기 위해 두 전극 사이에 놓인 게 격리막이다. 따라서 격리막은 양극과 음극 사이에 놓이면서 두 전극 간 이온의 이동이 원활하도록 공간이 있는 재질로 만들어진다. 또 일정 수준 이상의 강도를 지녀야 한다. 격리막으로 사용되는 재질은 셀룰로오스, 부직포, 폴리올레핀 등이 있다.
이외에 2차전지에 사용되는 소재로는 양극과 음극에서 전자를 외부로 빼내기 위해 사용되는 집전체가 있다. 이는 전극의 전체 골격을 유지하는 기능도 하며 리튬2차전지에서는 알루미늄, 구리 형태가 주로 사용된다.
이경민기자 kmlee@etnews.co.kr