리튬 이온 배터리에 대해 알아야 할 사항
소개
리튬 이온 배터리(약칭 LIB)는 다양한 현대 기술에 전력을 공급하는 표준이 된 충전식 에너지 저장 장치입니다. 스마트폰과 노트북부터 전기 자동차, 재생 에너지 저장 시스템에 이르기까지 LIB는 우리가 전기 에너지를 사용하고 저장하는 방식을 변화시켰습니다. 이 기사에서는 이러한 산업에서 LIB가 수행하는 중추적인 역할을 살펴보고 기능 원리, 원자재, 장점 및 응용 분야에 대한 이해를 돕고자 합니다.
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그림 1. 리튬 이온 배터리
리튬 이온 배터리 작동 원리
리튬 이온 배터리는 놀라운 전기 화학 공정을 활용합니다. 리튬 이온 배터리는 양극과 음극이라는 두 가지 중요한 구성 요소 사이에서 리튬 이온(Li+)을 주고받는 원리로 작동합니다. 충전 단계에서 리튬 이온은 음극에서 추출되어 양극에 저장되어 전위 에너지 차이를 생성합니다. 방전 단계에서는 배터리가 전력을 공급할 때 이러한 이온이 전해질 용액을 통해 음극으로 다시 흐릅니다.
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그림 2. 리튬 이온 배터리 구조
리튬 이온 배터리 재료
전기화학 공정에서는 배터리의 성능, 에너지 밀도 및 전체 효율을 극대화하기 위해 다양한 LIB 소재를 신중하게 선택하고 설계합니다. 리튬 이온 배터리 재료의 주요 구성 요소는 다음과 같습니다:
--양극 재료
LIB의 양극은 일반적으로 충전 및 방전 주기 동안 리튬 이온을 인터칼레이트(흡수 및 방출)할 수 있는 재료로 만들어집니다. 일반적인 양극 재료로는 흑연과 실리콘이 있습니다.
l흑연은 안정성과 전기 화학적 성능으로 인해 상용 리튬 이온 배터리에서 가장 일반적으로 사용되는 음극 소재입니다 .
l실리콘은 흑연에 비해 이론적으로 리튬 저장 용량이 더 높습니다. 그러나 실리콘은 석출 및 탈석출 주기 동안 팽창과 수축이 일어나기 때문에 공학적 과제가 있습니다.
--음극 재료:
음극은 또 다른 중요한 구성 요소이며 배터리의 전압과 용량을 결정합니다. 양극 소재에 따라 전압 정체기와 에너지 밀도가 다릅니다.
l리튬 코발트 산화물(LiCoO2 )은 초기 세대 LIB, 특히 가전제품에서 널리 사용되었습니다. 에너지 밀도는 우수하지만 안전 문제와 비용 때문에 고용량 및 고전력 애플리케이션에서는 덜 일반적입니다.
l리튬인산철(LiFePO4 )은 안전성과 긴 사이클 수명으로 잘 알려져 있습니다. 안전성과 수명이 중요한 전기 자동차 및 재생 에너지 저장 시스템에 자주 사용됩니다.
l리튬 니켈 코발트 망간 산화물(NCM) 음극과 리튬 니켈 코발트 알루미늄 산화물(NCA) 음극은 일반적으로 전기 자동차 배터리에 사용됩니다. 이 양극은 에너지 밀도와 전력 밀도 사이의 균형을 제공합니다.
리튬 망간 산화물(LMO) 은 열 안정성과 안전성이 뛰어나 온도 관리가 중요한 애플리케이션에 적합합니다.
--전해질:
전해질은 충전 및 방전 중에 리튬 이온이 양극과 음극 사이를 이동할 수 있도록 하는 전도성 매체입니다. 일반적인 전해질에는 유기 용매에 용해된 리튬 염이 포함되지만, 안전성과 에너지 밀도 향상을 위해 고체 전해질이 개발되고 있습니다.
--분리막:
분리막은 리튬 이온의 통과를 허용하면서 양극과 음극을 물리적으로 분리하는 다공성 멤브레인입니다. 일반적으로 폴리에틸렌(PE) 또는 폴리프로필렌(PP)으로 만들어지며 단락을 방지하고 안전성을 향상시키는 데 중요한 역할을 합니다.
리튬 이온 배터리의 장점
리튬 이온 배터리는 다양한 장점을 가지고 있어 다양한 분야에서 선호되는 배터리입니다. 다음은 리튬 이온 배터리의 주요 장점 중 일부입니다.
l효율성: LIB는 에너지 밀도가 높고 충전식이며 자체 방전율이 낮습니다.
l내구성: LIB는 영하의 추위부터 고온까지 광범위한 온도 범위에서 효과적으로 작동할 수 있습니다. 사이클 수명이 길기 때문에 심각한 용량 저하를 경험하기 전에 수많은 충전 및 방전 사이클을 거칠 수 있습니다.
l지속 가능성: LIB는 다른 대체 에너지 저장 솔루션에 비해 배출량이 적고 환경 발자국이 더 작습니다.
l안전: 최신 LIB는 열 보호, 과충전 방지, 내장 배터리 관리 시스템(BMS) 등의 안전 기능을 통합하여 배터리 성능과 안전을 모니터링하고 관리합니다.
리튬 이온 배터리 애플리케이션
이러한 장점 덕분에 리튬 이온 배터리는 에너지 저장 시장에서 지배적인 위치를 차지하며 다양한 애플리케이션에 걸쳐 혁신을 주도하고 있습니다:
l소비자 가전: 리튬이온 배터리는 스마트폰, 태블릿, 노트북, 카메라 및 기타 수많은 휴대용 기기에 전력을 공급하여 점점 더 연결되는 생활에 필요한 오래 지속되는 고성능 에너지원을 제공합니다.
l전기 자동차(EV): LIB는 전기 자동차의 주요 에너지 저장 시스템으로 전기 모빌리티 혁명에 필수적인 요소입니다. 대량의 에너지를 저장하고 효율적으로 전달하는 능력은 전기차 시장의 성장을 촉진했습니다.
l재생 에너지 저장: 이 배터리는 태양광 패널이나 풍력 터빈과 같은 재생 가능 에너지원에서 생산된 전기를 저장하는 데 매우 중요합니다. 이렇게 저장된 에너지는 재생 에너지 생산량이 적은 시기나 수요가 많을 때 사용할 수 있습니다.
항공우주: LIB는 높은 에너지 밀도와 신뢰성이 필수적인 인공위성, 우주선, 무인 항공기(UAV)에 전력을 공급하는 등 항공우주 분야에 사용됩니다.
l의료 기기: 의료 장비에 사용되어 이식형 심장 제세동기(ICD) 및 휴대용 의료 모니터와 같은 중요한 장치가 가장 필요할 때 계속 작동할 수 있도록 합니다.
결론
요약하자면, 리튬 이온 배터리는 더 깨끗하고 효율적이며 지속 가능한 에너지 솔루션의 혁신적 시대를 열었습니다. 이 놀라운 에너지 저장 장치는 기기, 차량, 재생 에너지 시스템에 전력을 공급하는 방식에 혁신을 가져왔으며 높은 에너지 밀도, 내구성, 다용도로 다양한 산업에 지울 수 없는 흔적을 남겼습니다.
스탠포드 어드밴스드 머티리얼즈(Stanford Advanced Materials, SAM)에서는 리튬 니켈 코발트 망간 산화물(NCM), 리튬 니켈 코발트 알루미늄 산화물(NCA), 리튬 코발트 산화물(LCO), 리튬 철 인산염(LFP) 등 다양한 리튬 이온 배터리 소재를 판매하고 있습니다. 관심이 있으시면 문의해 주세요.
참조:
[1] 챈들러, D. L. (2023, March 23). 연구 결과 리튬 이온 배터리 비용의 급락이 밝혀졌습니다. MIT 뉴스. 검색 됨 9 월 12, 2023에서 https://news.mit.edu/2021/lithium-ion-battery-costs-0323
[2] Ghiji, M.; Novozhilov, V.; Moinuddin, K.; Joseph, P.; Burch, I.; Suendermann, B.; Gamble, G. 리튬-이온 배터리 화재 진압 검토. Energies 2020, 13, 5117. https://doi.org/10.3390/en13195117.
