1. 리튬 계열 전지 소개
우리가 알아볼 리튬이온 전지는 다양한 계열의 종류가 있습니다. 최근 이슈가 되고 있는 2차 전지 산업과 전기차 산업에 대해 이해를 하기 위해서는 리튬이온 전지에 대해서 우선적으로 공부를 하면 좋겠습니다. 우선적으로 전지의 화학반응의 원리에 따라서 양극, 음극으로 사용 여부에 따라서 양극에는 리튬합금을 사용하는 리튬이온전지가 있습니다. 다음으로 음극으로는 리튬합금을 사용하는 리튬금속전지 두 종류로 나뉘게 됩니다.
2. 주요 소재가 된 리튬의 장점
리튬은 원자번호 3번입니다. 이는 밀도가 가장 낮은 금속성 원소입니다. 원소 주기율표 제1족에 분류되는 알칼리 금속이며 이온화 경향이 가장 큰 점이 최대 장점입니다. 리튬의 이러한 특성상 리튬금속이 리튬이온으로 변할 때 가장 많은 에너지를 활용할 수 있게 되는 것입니다. 앞서 설명했듯이 가장 가벼운 금속원소이기 때문에 이를 전극으로 사용할 경우 부피를 줄이고 가벼우면서도 고밀도 에너지를 사용할 수 있는 전지가 만들어지기 때문입니다. 우리 일상에서 사용되는 다양한 종류의 전지에 리튬이 사용되는 이유입니다.
3. 리튬이온 전지의 작동 원리
리튬 이온 배터리를 이해하기 위해서 주요 구성요소를 알아보겠습니다. 이는 분리막, 전해액, 양극, 음극 등으로 크게 4종류로 구성이 되어있습니다. 보통 리튬이온전지는 이 요소를 기반으로 음극 활물질, 양극 활물질, 전해액, 층간 삽입 반응 등 주요 특징을 갖추고 있습니다.
이것은 층간삽입에 의한 산화환원 반을을 통하여 발전을 합니다. 그래서 덴드라이트가 발생하지 않는 것입니다. 여러분이 알고 있는 충전, 방전이 이루어질 때는 음극활물질의 용해 등 작용이 발생하지 않습니다. 방전이 진행될 때는 음극활물질에서 리튬이온이 산화반응을 하여 양극활물질로 흡수되는데 이를 환원반응이라고 합니다.
음극 활물질로 활용되는 탄소재료는 흑연입니다. 탄소는 그 자체의 특성상 여러 층이 쌓여 있는 구조인 층상 구조를 이룹니다. 탄소재료인 흑연의 층간에는 분리가 잘되는 성질이있습니다. 그 때문에 리튬 입자가 흑연 사이로 유입될 수 있는 장점이 있습니다. 리튬이온 전지를 충전 방전하게 되면 이온이 양극과 음극 사이를 지나가게 됩니다. 리튬은 전지내부에서 항상 이온화되어 존재합니다.
4. 주요 용도와 종류
전지는 전압이 높음에도 휴가가 편리한 장점이있어 다양한 형태로 많이 활용되고 있습니다. 이것은 크기, 재료와 형태에 따라 구분되기도 하며 주요 공용 규격은 A사이즈, CR2사이즈, 18650 사이즈, RCR123 등이 있습니다.
우리 주위 일상에서 많이 쓰이는 형테는 원통형 전지가 있습니다. 노트북컴퓨터, 가전제품, 장난감 등에 다양하게 사용되고 있습니다. 다음으로 각형 전가 있습니다. 각형 전지는 다양한 센서, 전기자동차 등에 사용됩니다.
종류에 대해서 알아보겠습니다. 산업계에서는 리튬코발트 산화물이 쉽게 합성가능하고 취급의 용이성 때문에 많이 활용되고 있습니다. 이것은 가격도 비싸고 구하기도 힘들지만 무엇보다 높은 전압과 수명이 긴 것이 큰 장점을 가지고 있습니다. 나중에는 삼원계 전지의 구조에 대해 이해하기 위해서는 리튬코발트 산화물 이온전지의 결정 구조에 대해 짚고 넘어가야겠습니다. NMC계 삼원계 전지에서는 코발트의 일부를 망간과 니켈로 치환하게 됩니다.
산화 망간리튬의 특징은 가격이 저렴하고 전압 출력이 높은 장점이 있습니다. 하지만 에너지 밀도가 약하고 수명도 낮은 단점으로 인해 사용도가 낮아지는 추세입니다. 우리가 잘 알고 있는 전기 자동차 중에 닛산사의 리프가 이런 산화망간리튬 배터리를 장착하여 배터리 성능 저하 이슈를 일으키키도 했습니다.
5. 전해액에 대해서 알아보자
전해액은 전지내에서 이온을 이동시켜주는 메인 역할을 하고 있습니다. 이 전해액이 중요한 이유는 전지에 적합한 전해액이 사용도어야 전지의 안전성과 수명을 늘리는데 기여할 수 있기 때문입니다. 앞서 설명한 층간 삽입 기술을 이용하여 리튬 이온전지가 실생활에 활용될 수 있었던 이유입니다.
리튬의 가장 큰 단점이 발화의 위험성입니다. 이는 물과 높은 반응성을 보여서 기존에 물이 포함돈 전해액에는 사용 할 수가 없는 단점이 있습니다. 대신 유기 용매를 이용하여 높은 반응성에 대한 문제를 해소하였습니다. 전해액의 전극을 보호하고 과충전을 방지하는 기능을 합니다. 최근에는 혼합용매에 대한 기술들이 높이기 위한 연구가 많이 진행되고 있습니다.
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