리튬이온 전지의 작동 원리이해
리튬이온 2차 전지는 탄생배경을 알아보겠습니다. 리튬이온 전지는 리튬 금속 1차 전지를 2차 전지로 가공하는 것을 연구개발 하는 과정에서 만들어졌습니다. 이것에 대해 알아보기 위해서는 구조적 기능적인 특징을 먼저 정리해 보겠습니다.
1. 층간삽입 반응 기반의 2차전지입니다.
2. 발화위험 때문에 전해액에는 물이 포함되지 않아야 합니다.
3. 음극재를 통하여 양극에서 나온 리튬을 저장 후 방출시키며 전기를 발생시킨다.
4. 금속산화물은 리튬이온을 포함하는 양극제를 사용한다.
아래에 삽입된 그림처럼 전지 내의 쌍방향 층간 충전 방전 작용으로 작동하게 됩니다.
충전과 방전 작용이 일어날 때 음극재의 용해, 석출이 발생하지 않아야 합니다. 이는 구조상 산화환원 반응을 일으키며 작동합니다. 음극에서 방출된 리튬 전자는 전해액을 통해 양극으로 이동되며 방전 작용이 일어납니다. 그 반대로 양극활 물질이 전해액을 지나며 음극으로 이동하는 구조입니다.
리튬망간산화물 이차전지의 이해
양극 활물질에는 리튬망간산화물을 사용하고 음극 활물질로는 흑연을 사용하는 구조의 전지입니다. 제조원가 측면에서 코발트나 니켈대비하여 저렴한 것이 장점이며 다른 전지에 비하여 제조 공정 또한 쉬운 구조입니다. 리튬 전지의 최대 단점임 구조적인 불안정성이 극복되어 전기자동차의 동력원으로 많이 이용되고 있습니다. 다른 리튬이온 전지와의 가장 큰 차이점은 스피넬형 결정 구조인 점이 특징입니다. 스피넬형 결정 구조에서 망간은 산소의 팔면체 중심에 위치하게 됩니다.
삼원계(NMC)와 니켈계(NCA) 리튬이온전지의 이해
삼원계 전지(NMC)는 2차 전지의 양극 활물질의 구성이 니켈, 망간, 코발트와 리튬으로 이루어진 리튬이온전지를 의미합니다. 삼원계 기술력은 에너지 활용 측면에서 다른 배터리와 대비하여 우수한 성능을 자랑하고 있습니다. 그러한 이유로 현재 활용도가 높습니다. 삼원계 배터리의 주요 3요소의 함유 비율에 따라서 성능에 차이가 있지만 에너지 효율성 측면에서 우수한 장점이 있는 반면, 물리적인 충격으로 인하여 단락이 발생할 수도 있는 단점이 있습니다.
양극제 NCM 관련 기업 : LG화학, SK이노베이션, 삼성 SDI
음극제 NCA 관련 기업 : 포스코케미칼
니켈계 전지(NCA)는 니켈, 코발트, 알루미늄으로 구성되어 삼원계라고 할 수도 있습니다. 하지만 업계에서는 앞서 설명한 NMC 배터리를 삼원계라고 부르고 있습니다. NCA 배터리는 개발 과정에서 양산화의 어려움으로 인하여 전지 결정 구조를 안정화시키기 위한 노력으로 니켈의 일부를 코발트로 치환하고 알루미늄을 첨가해서 탄생하게 되었습니다.
리튬의 특성상 과방전이 될 경우에는 전지에서 비가역적인 손상이 발생합니다. 이는 전지 용량의 감소로 이어지 때문에 과방전 보호를 위한 장치들이 필요합니다. 과방전이 일어날 경우 합선으로 인한 화재 등의 사고가 발생할 수도 있습니다. 따라서 문제가 생긴 리튬 이온 전지는 폐기 처리하는 것을 권장합니다. 그리고 제조된 이후 오래 동안 방치될 경우에도 열화 현상으로 인하여 용량이 줄어들 수도 있는 단점이 있습니다.
리튬폴리머 2차 전지의 이해
기존에 설명한 전지와의 가장 큰 차이점은 전해질의 특성 차이입니다. 전지를 특수필름으로 감싼 형태로 전해질의 상태가 폴리머 형태인 전지를 리튬폴리머 2차 전지라고 불립니다. 기본적인 구조는 앞서 설명한 리튬이온전지와 거의 동일하며 폴리머 젤 상태로 된 전해질을 싸고 있는 분리막이 시트로 되어있는 점이 특징입니다.
가장 큰 장점으로는 가공의 이점이 있어 유연한 구조로 전지 개발이 가능하므로 상업적으로 활용성이 높습니다. 앞서 설명한 전지들은 액체 전해질을 사용해야 하지만 이는 폴리머 형태이기 때문에 타 구조에 비하여 높은 안정성을 가지고 있습니다. 이러한 장점을 활용하여 산업계에서는 스마트폰, 노트북 컴퓨터, 전동 자전거 등 다양한 휴대용 기기의 전원 공급원으로 상용화되었습니다.
바나듐 리튬 2차 전지의 이해
바나듐 전해액을 통하여 전기 화학반응을 일으켜 충전 및 방전 작용을 하는 구조입니다.
이 전지는 동전형 2차 전지입니다. 가장 큰 특징으로는 양극 활물질이 오산화바나듐과 음극 활물질로 리튬 알루미늄 합금을 사용하는 것이 특징입니다. 전도성이 낮기 때문에 충전과 방전에 많은 시간이 소요되는 특징이 있습니다. 전도성을 높이기 위한 연구들이 이루어져 리튬이온을 첨가하는 등 낮은 전도성에 대한 단점을 해소가 가능합니다. 가장 큰 장점으로는 안정성이 높고 에너지 효율성이 높습니다. 하지만 부피가 크다는 단점이 있어 휴대용 모빌리티 장비에서 전원으로 사용되기에는 어려움이 있는 것이 단점입니다. 이러한 특징 덕분에 일상에서 통신장비, 의료장비 등의 메모리 백업 목적의 전원으로 사용도는 등 중요한 역할을 하고 있습니다.
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