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리튬 이온 배터리 구성, 종류, 동작 방법, 특성(Lithium ion battery, type, characteristic) 본문
리튬 이온 배터리 구성, 종류, 동작 방법, 특성(Lithium ion battery, type, characteristic)
FAMTECH 2022. 7. 13. 13:55
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리튬 이온 배터리 구성, 종류, 특성(Lithium ion Battery Structure & Type)
리튬-이온 배터리는 양극(Cathode), 음극(Anode), 전해질(Electrolyte)로 구성되어 있습니다. 양극은 금속 산화물(Metal oxide)이고, 음극은 다공성 탄소(Porous carbon)로 이루어져 있습니다. 방전 시 이온은 전해액과 분리막을 통해 음극에서 양극으로 흐르게 되고, 충전 시에는 반대로 양극에서 음극으로 이온들이 흐르게 됩니다
리튬 이온 배터리는 여러 가지 종류가 있지만 "리튬 이온"이라는 하나의 중요한 공통점을 갖고 있습니다. 언뜻 보기에는 다 유사해 보이지만 음극 활물질(Active Material)을 어떠한 것을 사용하는가에 따라서 배터리 성능면에서 다양한 특성을 나타냅니다.
소니(Sony)는 처음 리튬 이온 배터리에서 음극제로 코크스(Coke)를 사용했지만 보다 평평한 방전 곡선을 얻기 위해서 소니를 포함한 대부분의 업체들은 음극제를 흑연(Graphite)으로 전환했습니다. 흑연은 탄소의 한 형태로 장기 사이클(여러 번 충방전)에서 안정성을 보입니다. 흑연은 가장 일반적인 탄소 재료이며, 그 다음으로는 하드 및 소프트 카본이 있습니다. 나노튜브 탄소는 구조적인 이유로 성능에 영향을 미치기 때문에 리튬 이온 배터리에서 아직 상용화되지 않았습니다. 현재 리튬이온 배터리의 성능을 향상시킬 것으로 기대되는 물질은 그래핀(Graphene)입니다.
위 그림은 음극제로 코크스가 쓰일 때와 흑연이 쓰일 때 전압 방전 곡선을 보여줍니다.
흑연(Coke) 음극의 성능을 향상시키기 위해 실리콘계 합금을 포함하여 여러 첨가제(Additives)가 시도되고 있습니다. 6개의 탄소 원자는 하나의 리튬 이온과 결합할 수 있지만 실리콘 원자 1개에는 4개의 리튬 이온이 결합할 수 있습니다. 이는 이론적으로 실리콘 음극이 흑연보다 10배 이상의 에너지를 저장할 수 있음을 나타냅니다. 하지만 실리콘을 사용할 때 충전 시 음극이 팽창하는 문제를 갖고 있습니다. 따라서 순수한 실리콘 음극은 실용적이지 않으며, 3–5%정도 실리콘을 첨가하는 것이 일반적으로 좋은 사이클 수명을 달성하는데 도움이 됩니다.
나노 구조의 리튬-티탄산염(nano-structured lithium-titanate)을 음극 첨가제로 사용하면 사이클 수명이 증가하며, 부하 능력이 우수하며, 저온 성능이 우수하고, 안전성이 우수하지만, 비에너지가 낮고 비용도 높습니다.
양극의 경우, 활물질에 비싼 코발트(Cobalt) 대신 니켈(Nickel)을 첨가함으로써 높은 비에너지와 적은 비용을 달성할 수 있지만, 이는 전지의 안정성을 떨어트립니다. 신생 기업은 빠른 시장 수용을 위해 높은 특정 에너지와 낮은 가격에 초점을 맞출 수 있지만, 안전성과 내구성은 반드시 고려되야 합니다.
현재 대부분의 리튬 이온 배터리의 양극은 알루미늄 집전체에 금속 산화물을 코팅하고, 음극은 구리 집전체에 탄소/흑연으로 코팅 합니다. 그리고 분리막(Sperator, SRS), 리튬염으로 이루어진 유기용매 전해질로 구성된 유사한 설계를 공유하고 있습니다. 아래표는 리튬 이온 배터리의 장단점을 요약한 것입니다
리튬이온 배터리 장점
- Power cell에서 높은 비에너지와 높은 load 용량l 높은 용량 낮은 내부 저항, 쿨롱 효율 좋음자가 방전이 적음(NiCd와 NiMH의 절반 보다 더 작다.)
- 단순한 충전 알고리즘, 충전 시간이 합리적(짧다)
- 긴 수명과 저장수명 ↑ – 유지보수가 필요하지 않음
- 높은 용량 낮은 내부 저항, 쿨롱 효율 좋음
- 자가 방전이 적음(NiCd와 NiMH의 절반 보다 더 작다.)
리튬이온 배터리 단점
- 열 폭발을 방지하기 위한 보호회로 필수
- 고온, 고전압에서 열화(degrade)
- 0°C 이하의 온도에서 급속 충전 불가
- 많은 수량을 운송할 때 엄격한 규정이 필요함
참조>>
https://batteryuniversity.com/article/bu-204-how-do-lithium-batteries-work
