리튬이온 배터리란 무엇인가?
리튬 이온 전지는 방전 과정에서 리튬 이온이 음극에서 음극으로 이동하는 이차 전지이다.충전 시 리튬 이온이 양극에서 음극으로 이동하여 제자리를 찾는다. 리튬이온전지는 충전 및 재사용이 불가능한 1차 전지인 리튬이온전지와는 차이가 있으며, 전해질로는 고체 고분자를 사용한 DEd;">리튬이온 중합체 전지가 사용되고 있다. 리튬이온전지는 DEd;">미사용 시에도 에너지 밀도가 높고 메모리 효과가 부족하며 자가방전이 적어 시중의 휴대용 전자기기에 널리 사용되고 있다. 또한, 고에너지 밀도 특성을 이용하여 방위 산업, 자동화 시스템 및 항공 산업에서의 사용 빈도가 점차 증가하고 있다. 단, 일반적인 리튬 이온 배터리는 잘못 사용할 경우 폭발할 수 있으므로 주의해야 한다. 리튬 이온 전지는 양극, 음극, 전해질의 세 부분으로 나눌 수 있으며, DEd;">다른 물질을 사용할 수 있다. 흑연은 가장 상업적으로 사용되는 양극 재료이다. 상기 양극은 폴리이온, 리튬 망간 산화물, 층상 리튬 코발트 산화물 등의 스피넬을 사용하고, 초기에는 티타늄 DEd;">다이설파이드(TiS2)를 사용하였다. 전지의 전압, 수명, 용량 및 안정성은 음극, 양극 및 전해질로 사용되는 소재에 따라 크게 달라질 수 있다. 최근, 나노 기술을 이용한 생산이 배터리 성능을 증가시키고 있다.
리튬이온배터리의 역사
리튬이온 배터리는 1970년대 뉴욕 빙 엄 턴 대학의 스탠리 휘팅엄과 엑손 교수가 처음 제안했다. 휘팅엄 교수는 황화 티타늄을 양극으로, 리튬을 양극으로 사용했다. 흑연에 삽입된 리튬 원소의 전기화학적 특성은 1980년 르시드 팔매가 이끄는 그르노블 공과대학교(ING)와 국립과학연구센터(프랑스) 연구팀에 의해 밝혀졌다. 리튬, 고분자 전해질 및 흑연으로 이루어진 반쪽 전지의 구조를 실험하여 흑연에 리튬 원소가 가역적으로 삽입됨을 확인하였다. 본 연구는 흑연에 리튬의 가역적 삽입에 관한 이온 확산과 관련된 열역학적 및 동적 내용을 모두 포함하고 있다. 종래의 리튬 전지는 금속 리튬으로 이루어진 양극을 가지고 있어 안전성이 낮았다. 따라서 리튬 이온 전지는 리튬이온 질량이 아닌 양극으로 리튬 이온을 함유하는 물질을 제공하기 위해 개발되었다. 1981년 벨 연구소는 리튬 전지용 금속 리튬 대신 사용할 수 있는 흑연 양극을 개발하였고, 1991년 최초의 상용 리튬 전지 특허가 되었다.t by 소니. 당시의 배터리는 층상산화물(리튬 코발트 산화물)을 사용하였으며, 가전제품의 범위에 혁명을 가져왔다. 1983년 마이클 타케레이와 구디누프는 망간으로 만들어진 스피넬이 음극 재료로 사용될 수 있다는 것을 발견했다. 스피넬은 유리한 가격, 우수한 전기 전도도, 우수한 리튬 이온 전도도, 안정적인 구조 등으로 두각을 나타냈다. 순수한 망간으로 이루어진 스피넬은 반복적인 사용으로 성능에 영향을 미치지만, 이러한 점들은 스피넬이 구성되는 화학 원소의 변화로 고정될 수 있다. 민간 스피넬은 현재 상용 리튬이온 배터리에 사용되고 있다. 그리고 1985년 도시바의 미즈시마 코이지는 리튬이온전지를 위한 최초의 양극 소재를 개발했다. 같은 해 아사히카세히사의 좋아 노 아키라는 오늘날 사용되는 리튬이온 배터리에 가까운 시제품을 만들었다. 1989년 텍사스 대학교 오스틴의 만티람과 구디누프는 폴리 아이언을 포함하는 양극이 유도 효과가 있고 있으며, 따라서 산화물이 있는 양극보다 더 높은 전압을 생성할 수 있다는 것을 발견했다. 이를 바탕으로 소니 지시 오시오는 1990년 말 처음으로 리튬이온전지 개발에 성공하였고, 이듬해 소니는 리튬이온전지를 대규모로 생산하여 상용화하였다. 1996년 파디(Akshaya Padhi), 구디누프 등은 인산철과 감마 석으로 이루어진 결정구조를 갖는 인산 리튬계 리튬을 리튬이온전지의 음극 재료로 사용할 수 있음을 발견하였다. 인산철 리튬 인산화 물은 다른 음극 재료에 비해 양호한 가격, 높은 안전성, 성능 및 신뢰성 높은 작동력을 나타낸다. 인산 리튬은 전기자동차에 사용되는 대형 전지와 같이 안전성이 요구되는 에너지 저장장치로도 적합하다. 인산 리튬은 현재 노트북과 같은 휴대용 전자기기에 널리 사용되고 있다. 2002년, 예트밍은 MIT의 치안과 그의 팀에게 알루미늄이나 니오브 또는 지르코늄을 전극에 도핑 함으로써 전기 전도도를 많이 증가시켜 리튬이온 배터리의 성능을 극대화할 수 있다는 것을 발견했다. 그러나 이러한 도핑 처리를 통한 성능 향상의 원리가 실제로 어떻게 작용하는지는 많은 논의가 이루어지고 있다. 2004년, 치앙 연구팀은 또 다른 기술을 개발했는데, 그것은 지름이 100 나노미터인 인산철 입자를 전극에 투여하는 것이었다. 그 결과, 밀도가 100분의 1 미만으로 감소하고 전극의 표면적 및 전지의 용량이 증가하였다. 인산철을 이용한 기술 상용화로 시장 경쟁이 치열해졌고 치안과 기누프 간 특허 침해 분쟁도 빚어졌다.
리튬 이온 배터리 충전 과정
리튬 이온 배터리 충전 공정은 크게 두 단계로 진행된다.
- 정전류 흐름: 제한전압에 도달할 때까지 전류를 공급하여 충전기가 일정한 전류를 유지하도록 전압을 점진적으로 증가시키는 과정이다.
- 정전압 공정: 전지가 한계 전압에 도달하여 소정의 전압을 유지하면서 전류가 임계치 이하가 될 때까지 전류를 공급하는 공정이다. 일반적으로 전류의 임계값은 전류의 초깃값의 약 3%이다. 배터리가 복수의 셀로 구성되는 경우, 각 셀이 등 전류 공정과 등 전압 공정 사이에서 같은 전압값을 갖도록 하는 개조 공정이 추가된다. 일반적으로 리튬이온전지는 셀당 약 4.2±0.05V의 전압으로 충전되며, 수명이 긴 군용전지는 3.92V를 사용한다. 배터리 보호회로는 입력 전압이 4.3V 이상일 경우 입력을 차단합니다. 배터리 전압이 셀당 2.5V 미만으로 떨어지면 보호회로가 중지되고 일반 충전기를 더는 충전할 수 없습니다. 대부분 배터리는 셀당 2.7-3V에서 작동을 멈춥니다.
