리튬이온 배터리(manganese vs cobaly) 장단점 및 안정성(Lithium ion battery, Pros, Cons, Safety)

 

목차

 

 

 

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리튬이온(Lithium ion) 배터리 장점 및 단점

 

 

초기 리튬배터리는 리튬 금속(Lithium metallic)을 사용해서 개발하였지만 안정성에 문제가 제기 되면서 개발이 중단되고 리튬 이온 배터리로 이동하게 됩니다.

 

• 리튬 금속은 리튬 이온보다 에너지 밀도(Energy density)가 높음
• 리튬 금속은 리튬 이온보다 열폭주 가능성(Thermal runaway)이 높음

 

91년에 핸드폰의 배터리에서 가스가 새면서 폭발이 발생해서 사용자 얼굴에 화상을 입힌 사례가 있습니다. 그 뒤로는 안정성의 이유로 리튬 금속은 사용하지 않고 리튬 이온 배터리로 이동하게 됩니다. 

 

 

리튬이온의 장점은 아래와 같습니다.

• 다른 화학물질에 비해 유지가 쉬움(Low maintenance)
• 메모리 특성이 없어 수명을 늘리기 위해 특정 사이클 스케쥴 사용이 필요 없음
• Topping 충전을 안하면 납축전지에서 발생하는 황산화(Sulfation) 문제가 없음
• Self-discharge가 적음
• 폐기 시 다른 화학물질에 비해 오염이 적음

 

단점은 리튬 금속보다는 줄었지만 열폭주의 위험을 내재하고 있다는 점입니다.

 

 

 

 

 

 

리튬이온(Lithium ion) 배터리 안정성

 

배터리 에너지 밀도를 높여서 최소 공간에서 효율을 극대화 하는 것이 배터리 제조사의 목표 입니다. 그래서 배터리 회사는 첫번째로 리튬이온배터리의 재료를 다양하게 사용해서 시험했습니다.

 

예를 들어 양극(Cathode)에 코발트(Cobalt)를 사용할 경우 니켈(Nickel) 배터리보다는 2배 납축전지(Lead acid)보다는 약 4배의 에너지 밀도를 가질 수 있습니다.

 

다음으로 배터리 제조사가 한 것은 전극(Electrode)과 분리막(Separator)를 얇게 만들었습니다. 전극과 분리막이 얇아지면 배터리 사이즈를 줄일 수 있기 때문에 배터리 셀의 에너지 밀도를 높일수 있습니다. 91년도 이후로 현재 리튬 이온 배터리 셀의 에너지 밀도는 약 2배 정도 증가 하였습니다. 

 

물론 얇은 전극과 분리막으로 에너지 밀도를 높였지만 이에 따른 Side effect가 발생합니다. 

 

• 분리막(Separator) 두께가 20~25um 이하의 경우 금속먼지(Metallic dust particle)이 배터리 내부에 들어갈 경우 향후 폭발 가능성이 있음
• 얇은 분리막에 불순물은 단선(Short)을 발생하시키고 이는 높은 전류를 양극과 음극사이에 흐르게 해서 열폭주가 발생함
• 코발트 양극을 사용하는 리튬이온 배터리는 130℃ 이상에서 열적 분안정 상태가 되어서 열폭주가 쉽게 발생함
• 1.35Ah 18650 기본 원통형 셀은 Nail penetration 시험을 쉽게 통과하나 2.4Ah 고밀도 배터리는 폭발함(UL1642에서는 Nail penetration 시험을 요구하지 않음)

 

위와 같은 이유로 에너지 밀도가 높은 배터리를 생산할 경우 배터리 제조사는 안정성에 대한 보완을 진행하여야 합니다.

 

 

리튬이온 배터리의 가장 기본 타입은 코발트(Cobalt)와 망간(Manganese, Spinel)이 있습니다. 특성은 아래와 같습니다.

 

• 리튬이온 코발트 타입 : 130℃ 부터 열적 불안정 발생, 에너지 밀도가 망간에 비해 높음, 내부저항이 높아 전류 출력이 낮음, 에너지 밀도가 높아 사용주기가 짧은 핸드폰, 노트북 배터리에 사용
• 리튬이온 망간 타입: 250℃ 부터 열적 불안정 발생, 에너지 밀도가 낮음, 내부 저항(Internal resistance)이 적음, 고전류 출력 가능, 전기차량과 같은 안정성이 필요하고 높은 전류를 필요로 하는 어플리케이션에 사용

 

 

 

 

리튬이온(Lithium ion) 배터리  안전 설계

 

앞부분에서 배운 내용을 토대로 배터리 제조사는 안전 설계(Safety Design)를 합니다. 설계 방법은 크게 3가지로 아래와 같습니다. 

 

• 활성 물질 양을 조절해서 에너지 밀도와 안정성 사이 최적의 설계
• 셀 내부 Safety mechanism을 통해 안정성 확보
• 배터리 팩에 보호회로 추가

 

보호장치로는 아래와 같은 장치들이 있습니다.

 

• PTC: 셀 내부에 부착되어 고전류 Surge를 막음
• CID(Circuit Interrupt Device):  내부 셀에 압력을 10Bar(150Psi) 정도 발생시키는 고전압 충전시 충전 선을 Open 시킴
• Safety Vent: 셀에 압력 증가시 가스 배출
• BMS(Battery Management System): 배터리 셀의 전압 모니터링, 충전 전압이 4.3V이상일 경우 외부 연결을 끊음, 온도가 90℃ 이상 시 Fuse가 연결을 끊음, 과방전(Over discharge)를 막기 위해 2.5V 이하의 경우 외부 연결을 끊음