에너지공학과 세특주제로 온도차이에 따른 배터리 관련성을 주제로 선정합니다.
겨울철 배터리감소원인을 명확히 증명한 기초과학연구원의 논문을 바탕으로 화학적 관점으로 풀이해봅니다.
겨울철 2차전지 성능의 저하에 대한 명확한 규명
친환경인 전기자동차의 겨울철 배터리 성능저하는 지속적인 해결과제였습니다.
이번에 기초과학연구소에서 명확한 메커니즘 규명을 통해서 향후 보완가능한 연구결과를 발표하였습니다.
왜 배터리는 겨울철에 일반적으로 성능이 저하되는가?
리튬이온 배터리는 크게 양극과 음극, 분리막, 전해액으로 구성된다.
음극에서 리튬원자는 리튬이온(Li+)과 전자로 분리되고, 전자는 배선을 따라 이동한다. 이것이 전기를 공급하는 전류다.
이때 리튬이온은 전해액을 통해 양극으로 이동하고, 양극에서 다시 전자와 결합한다. 리튬이온이 전해액에서 전극으로 이동하는 것을 ‘탈용매화 과정’이라 한다.
연구진은 탈용매화 과정의 시작 단계인 리튬이온 용매 구조를 분석했다.
리튬이온 용매 구조는 리튬이온이 전해액에 녹을 때(용매화) 리튬이온과 주변의 음이온 혹은 용매 분자들이 이루는 구조를 말한다.
지금까지는 리튬이온 용매 구조는 리튬이온을 중심으로 4개의 분자가 있는 4배위의 정사면체 구조(tetrahedral structure)를 이룬다는 것이 정설이었다.
연구진은 상온(26.85℃, 300K)부터 영하 33.15℃(240K)까지 온도를 변화시켜가며, 리튬이온 용매 구조와 이온화 과정을 관찰했다.
그 결과, 리튬이온 용매 구조는 정사면체에 국한되지 않고 용매 환경에 따라 3배위, 4배위, 5배위 등 다양한 구조를 가진다는 것이 확인
르샤틀리에 원리
2차전지의 온도에 따른 변화를 르샤틀리에 원리로 설명할 수 있다.
르샤틀리에 법칙은 화학평형 상태 물질의 외부 조건을 변화시켰을 때, 어떤 반응이 일어날 지 예측하는데 사용되는 법칙이다
법칙을 설명하면 아래와 같다
화학 평형 상태의 화학계에서 농도,온도, 부피, 부분 압력등이 변화할 때, 화학 평형은 변화를 가능한 한 상쇄시키는 방향으로 움직여 화학 평형 상태를 형성한다
출처 : https://www.makingmolecules.com/blog/equilibria2
리튬이온 용매 구조가 정사면체라고 가정한다면, 리튬염의 이온화는 흡열반응이라, 전해액의 온도가 내려가면 이온화를 진행하지 않는 방향으로 반응이 일어나야 한다.
그러나 실제로는 이온화도가 증가하는 결과가 나타난다.
(이러한 원인으로 그동안 겨울철 배터리 저하의 구체적인 원인이 규명이 안되었던 부분)
온도에 따른 배터리 성능저하의 의미
이번 실험으로 연구진은 상온(26.85℃, 300K)부터 영하 33.15℃(240K)까지 온도를 변화시켜가며, 리튬이온 용매 구조와 이온화 과정을 관찰했다.
그 결과, 리튬이온 용매 구조는 정사면체에 국한되지 않고 용매 환경에 따라 3배위, 4배위, 5배위 등 다양한 구조를 가진다는 것이 확인됐다.
연구를 이끈 조민행 단장은 “이번 연구는 기존 리튬이온 용매 구조에 대한 지배적인 통념이 실제와 다르다는 것을 보여준 중요한 연구로 저온에서도 성능이 저하되지 않는 새로운 배터리를 설계하기 위한 중요한 단서를 제시했다는 의미가 있다”고 말했다.
- 출처 : 기초과학연구원 홈페이지
에너지효율을 목표로한 확장된 탐구주제
에너지 저장시스템(ESS)이란?
에너지저장시스템(Energy Storage System, 이하 ESS)이란 유휴 전력 및 에너지를 전력계통(Grid)에 저장해 두었다가 필요한 시점에 이를 이용함으로써 에너지 사용의 효율성을 높이는기술을 가리킨다. ESS는 전력 품질 관리, 주파수 조정, 첨두부하 관리, 신재생에너지 계통 안전성 확보 등 다양한 기능들을 수행하는것을 목적으로 한다.
왜 에너지 저장시스템의 효율을 높여야 하고 준비해야하는가?
2023년 8월기준 기상이변으로 인하여 전국적으로 에너지소비는 매일 사상최고치를 기록하고 있다. 예상치 못한 지속된 폭염으로 많은 사회 경제적으로 문제점이 발생되고 전력수요는 급증하고 있다. 따라서 안정적인 수요와 탄력적인 공급을 통한 경제적 장점을 유지하기 위해서는 근본적인 에너지 효율화가 필요하다.
실제로 우리나라는 에너지 다소비 신고사업장의 전기사용량이 2000년부터 2012년까지 101.3% 증가하는 등 매년 동․하계 전력난이반복적으로 발생하고 있으며, 2011년 9월 15일에는 전력소비 급증과 전력예비력 부족에 의한순환정전 시행으로 전국 650만 세대의 약 9,000여건의 정전 피해사례가 발생하였다.
정부는 정책적 측면에서 온실가스 감축, 국제 에너지자원 가격 변화, 신재생에너지 공급불균형2), 전력의 안정적 공급 등 문제 해결 방안으로 에너지저장시스템(ESS: Energy StorageSystem)을 핵심기술로 다루고 있다.
제2차 에너지기본계획(2014.01)은 2035년까지의 국가 에너지정책 비전을 제시하면서, 수요관리 중심의 에너지 정책전환을 위한 ESS 설치 인센티브 제공시행을 명시하고 있으며, 제2차 녹색성장 5개년 계획(2014.06)에서는 ESS를 분산형 신재생에너지 융복합 사업으로 보급 활성화를 논의하고 있다.
그 외 미래부의 기후변화대응핵심기술개발전략(2014.07)과 산업부의 제3차 에너지기술개발계획(2014.10) 등에서도 기후변화대응과 국가에너지 수급관리를 위한 주요기술로 다루고 있다.
산업적 측면에서도 ESS의 도입 및 실증에 관한 연구 및 사업이 활발하게 진행되고 있다.
국내 산업부문에서 ESS는 시장이 충분히 형성 되지 않았지만, ESS의 핵심 분야인 배터리(LiB:Lithium-ion Battery)분야에서 삼성 SDI와 LG 화학 등의 기업이 세계시장 점유율 1위, 2위를차지하고 있는 상황이다.
하지만, ESS 관련 기술 중에서 LiB의 제조기술은 시장 경쟁력을 확보하고 있으나, 그 밖의 다른 ESS 세부기술 및 핵심 소재 기술에 대한 경쟁력은 선진국 대비미흡한 수준으로 평가받고 있다.
따라서 ESS를 향후 국가적인 차원에서 신산업으로 활용하기위해서는 우리나라 ESS 산업현황에 대한 현 상황의 특성 진단과 세부기술 분야의 산업경쟁력강화방안을 마련하는 것이 시급하다.
ESS 기술분야별 정의 및 특징
물리기계적, 전기화학적, 전기적 관련 자세한 내용은 위 링크에서 내용을 확인하시기 바랍니다.
참고자료
미국화학학회지
2차전지 기술현황 및 도전과제 (이상영 연세대학교 화공생명공학과 교수)
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