스마트폰에 사용되는 리튬 이온 배터리는 충전 시 리튬 이온이 음극으로 이동하고, 방전 시에는 양극으로 이동하면서 전자를 주고받는 가역적인 산화 환원 반응의 원리가 무엇인가요?

Question

스마트폰에 사용되는 리튬 이온 배터리는 충전 시 리튬 이온이 음극으로 이동하고, 방전 시에는 양극으로 이동하면서 전자를 주고받는 가역적인 산화 환원 반응의 원리가 무엇인가요?

Answer 1

안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.

리튬 이온 배터리는 리튬 이온이 양극과 음극 사이를 이동하며 화학 에너지를 전기 에너지로 전환하는 가역적인 산화 환원 반응으로 작동합니다. 배터리를 충전할 때는 외부 전기에너지에 의해 양극에 있던 리튬 원자가 전자를 잃고 리튬 이온으로 산화됩니다. 이때 분리된 전자는 외부 도선을 따라 음극으로 이동하고, 리튬 이온은 내부 전해액을 통해 음극으로 이동합니다. 음극에 도달한 리튬 이온은 전자를 다시 받아 리튬 원자로 환원되며 흑연의 층상 구조 사이에 저장됩니다. 이 상태는 에너지가 높고 불안정한 상태입니다.

​반대로 스마트폰을 사용하는 방전 과정에서는 음극에 저장되어 있던 리튬이 다시 전자를 내놓으며 리튬 이온으로 산화됩니다. 이때 생성된 전자가 외부 도선을 타고 양극으로 흘러가면서 스마트폰을 작동시키는 전류가 됩니다. 동시에 리튬 이온은 전해액을 거쳐 양극으로 이동한 뒤, 도선을 거쳐온 전자와 결합하여 원래의 안정적인 금속산화물 구조로 환원됩니다.

​이 반응이 가역적인 이유는 양극과 음극의 고유한 결정 구조가 파괴되지 않고, 리튬 이온이 그 빈틈을 단순히 드나드는 가역적 삽입 및 탈리 과정을 거치기 때문입니다. 덕분에 구조적 변형 없이 충전과 방전을 반복하며 재사용할 수 있습니다.

Answer 2

안녕하세요.

스마트폰에 사용되는 리튬 이온 배터리는 전기를 저장했다가 다시 꺼내 쓰는 과정에서 리튬 이온의 이동과 전자의 이동이 반복되는 가역적인 산화, 환원 반응을 이용하는데요, 즉 리튬 이온은 배터리 내부를 움직이고 전자는 외부 회로를 움직이면서 에너지를 전달합니다.

배터리가 충전될 때는 외부 전원이 전자를 강제로 밀어 넣는데요, 양극에 있던 리튬 이온이 전해질을 통해 음극으로 이동하고, 전자도 외부 회로를 통해 음극으로 이동합니다. 결과적으로 음극은 전자를 얻는 환원이 일어나고, 리튬 이온이 음극 층 사이에 저장됩니다. 반대로 방전될 때는 저장된 리튬 이온이 음극에서 빠져나와 양극으로 이동하는데요, 이때 음극에서는 전자를 잃는 산화가 일어나고, 전자는 스마트폰 회로를 지나 양극으로 이동하면서 전력을 공급합니다. 우리가 스마트폰을 사용하는 동안 화면, 통신, 앱 실행에 필요한 전기가 바로 이 전자 흐름에서 나온다고 보시면 되겠습니다. 감사합니다.