리튬이온

리튬이온(Li⁺, Li-ion, Lithium ion)은 다른 금속이온에 비해 작고 가벼운 금속 이온이다. 리튬이온은 크기가 다른 알칼리 금속이온의 크기보다 작기 때문에 전극물질의 격자 층사이로 이동하는 것도 수월하다. 또한 리튬이온은 가볍기 때문에 단위 무게당 큰 에너지 밀도를 갖는 전지를 만들 수 있다. 배터리 사용 시간이 길고, 무게가 가볍다. 휴대전화, 휴대 기기, 전기자동차 배터리에 사용된다. 니켈 배터리보다 에너지 밀도가 높고, 완전 충전 혹은 방전할 필요가 없이 필요 시에 따라 충전할 수 있다. 충방전할 때 전해질에 있는 리튬이온은 양극과 음극을 왔다갔다 한다. 친환경적으로 기억효과 현상이 없으나, 고온의 열 발생으로 폭발할 수도 있으니 주의해야 한다.

리튬이온은 -520kJ/mol로 알칼리 메탈 중에서 가장 높은 수화 엔탈피를 가지고 있으며, 이로 인해 물 속에선 완전히 수화물이 되어 물 분자를 강하게 끌어들인다. 이때 리튬이온은 주위에 두 개의 H₂O 분자층을 형성하는데, 가까운 층은 4개의 물 분자로 이루어지고, 이 분자층은 수소 결합을 통해 바깥쪽의 다른 분자들과 다시 연결된다. 이렇게 수소화한 리튬이온의 지름은 질량은 더 높지만, 수소 분자를 이만큼 세게 끌어당기지 않는 루비듐이나 세슘의 수소화 이온보다도 더 커진다.

리튬전지는 산화 코발트 리튬과 같은 산화 금속 리튬이 음극이 되고, 흑연이나 다른 리튬이온을 포함한 화합물이 양극을 형성하는 리튬이온 배터리와 혼동할 수가 있다.

충전지 특징 비교표

 

충방전할 때 리튬이온과 전자의 이동방향

곧바로 사용할 수 있는 2차전지도 있지만 리튬이온 전지는 사용하기 전에 반드시 충전을 해야 된다. 그것은 +극 물질의 리튬이온을 빼서 -극 물질로 옮기는 일이다. 충전 전원을 연결하면 +극의 금속 산화물의 산화 수가 증가하여 전극 물질의 전기중성을 유지할 수 없게 된다. 전극의 전기중성을 유지하려면 -전하를 띤 물질이 전극 층으로 들어와도 되지만 전극은 이미 리튬이온으로 차 있는 상태라 그러지도 못하다. 결국 +전하 물질인 리튬이온이 전극에서 빠져서 전기중성이 맞추어 진다. 이것이 충전할 때 +전하를 리튬이온이 전극에서 빠져야만 되는 이유인 것이다. 그러므로 충전을 마친 전지의 +극 층 간은 텅텅 비어 있고, 대신 -극의 층 간은 리튬이온으로 꽉 차 있다. 휴대기기를 켜는 순간 전지는 자발적인 화학반응으로(방전) 전기에너지가 만들어진다. 그 때 +극 물질의 금속 산화물은 -극에서 흘러온 전자로 환원되고, +극의 전기중성을 유지하기 위해 +전하의 리튬이온이 층 사이로 들어간다. 전극 가까이에 있는 전해질의 리튬이온이 먼저 +극의 층간을 채우고, -극에 있었던 리튬이온이 다 빠질 때까지 반응은 계속된다. 동시에 -극에서는 리튬 이온이 전해질로 빠져나오고 -극의 전자는 휴대기기의 전선을 따라 +극으로 이동을 한다. 그 때 이동하는 전자가 갖고 있는 전기에너지를 이용하는 것이다. 완전히 방전이 되면 전 지의 +극 층 간은 리튬이온으로 가득차고, -극 층 간은 텅 빈 상태가 된다. 전지의 수명이 다할 때까지 리튬이온은 셔틀버스에서 절대 내리지 않는 고객처럼 +극과 -극 사이를 계속해서 왕복하고 있다.

참고자료

• 〈리튬 이온〉, 《네이버 지식백과》
• 〈리튬〉, 《위키백과》

같이 보기

• 리튬
• 기억효과
• 리튬이온 배터리
• 리튬전지

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