E-모빌리티 시대를 여는 배터리 기술
1강. 리튬이온전지 개관
학습내용
- 리튬이온전지 구성 요소 및 역할 파악
- 리튬이온전지 적용 분야와 산업 전망
학습목표
- 리튬이온전지의 성능을 좌우하는 4대 구성 요소와 각각의 역할 설명
- 리튬이온전지의 장점과 다양한 응용 분야 파악
1> 리튬이온전지 구성 요소 및 역할 파악
1. 리튬이차전지 종류
- 리튬금속전지(Lithium Metal Battery)
- 양극: 리튬 전이금속 산화물
- 음극: 리튬 금속
- 1988년 캐나다의 몰리 에너지(Moli Energy): 리튬 금속을 음극으로 하는 리튬금속 이차전지를 개발하여 상용화에 도전
→ 폭발 사고로 시장에서 사라짐
- 충방전이 거듭되며 리튬 금속 수지상 생성
- 안전성과 가역성에서 문제 발생
- 리튬이온전지(Lithium-ion Battery)
- 양극: 리튬 전이금속 산화물
- 음극: 탄소
- 1991년 Sony사에서 상업화 성공
: 양극, 음극 소재로 모두 리튬 삽입, 탈삽입 물질 사용
: 다른 배터리에 비해 가볍고 높은 밀도 → 고용량, 장수명 이차전지 구현 가능
- 스마트폰, 휴대용 컴퓨터, 전기차에 이어 에너지 저장 시스템에 이르기까지 광범위하게 사용
2. 리튬이온전지 종류
- 원통형 전지(Cylindrical Cell)
- 원통형 전지 구조: 감아서 젤리롤을 만들어 캔에 삽입
: 젤리롤 세부 구조, 총 8개의 층
- 각형 전지(Prismatic Cell)
- 파우치 전지(Pouch Cell)
* 리튬이온전지 구조
- 파우치 전지 구조
3. 4대 핵심 소재
- 양극재와 음극재
- 양극재
- 리튬 전이금속 산화물
: LiCoO2, LiNiO2, LiMn2O4, LiFePO4, LiCoxNi1-xO2
- 산소 층 사이에, 금속 이온이 번갈아서 존재함
- 음극재
- 흑연: 350 mAh/g 이상의 용량, 리튬 금속과 비슷한 전위 거동
→ 전지 전압을 높이는 소재
- 탄소계 재료의 장점: 부피 변화가 적음, 뛰어난 안전성과 가역성, 낮은 가격
- 탄소계 재료의 단점: 이론 용량이 낮음
* 인터컬레이션 반응
- 리튬이온전지의 인터컬레이션
- 인터컬레이션
: 리튬이온이 호스트 물질(전이금속 산화물이나 흑연)의 빈자리로 들어가는 것
- 충전 과정
- 양극에서 리튬이온 빠져나옴 → 전해질을 통해 이동 → 탄소 음극 내로 삽입
- Li+ 디인터컬레이션(Deintercalation)
- 전이금속의 산화수 증가 → 산화 반응
- 방전 과정
- 음극에 삽입된 리튬이온이 탄소 층 사이에서 빠져나옴 → 양극으로 이동
- Li+ 인터컬레이션(Intercalation)
- 전이금속의 산화수 감소 → 환원 반응
- 리튬이온은 모두 양극 활물질에 들어 있음
- 초기에 탄소계 물질은 리튬이 존재하지 않음
- 리튬이온이 충방전 시에 양극과 음극 사이를 오가는 형태의 전지임
- 반응식
- 전해질
- 전기의 흐름
: 전해질 제외 모든 부분에서는 '전자'에 의해 전류가 흐름
: 전해질 영역에서는 '이온'에 의해 전기적 흐름 발생
→ 폐회로(Closed Circuit) 완성
- 역할
: 전극 반응에 참여하는 리튬이온을 전지 내부에서 음극과 양극으로 운반해주는 통로
- 유기용매와 리튬 염으로 구성
- 분리막
- 고분자 분리막
: 양극과 음극이 전기적으로 접촉하지 않도록 물리적으로 막아주는 역할
- 내부의 미세한 구멍을 통해 이온만 이동
- 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP)과 같은 다공성 멤브레인이 상용화
- 폴리에틸렌(PE) 분리막 전자현미경 사진
- 다공성 멤브레인
2> 리튬이온전지 적용 분야와 산업 전망
1. 휴대용 전자기기
- 리튬이온전지를 이용하는 휴대용 전자기기
- 휴대폰, 노트북, 태블릿 PC, 웨어러블 디바이스 등
→ 2015년까지 리튬이온 배터리의 80%가 소형 정보기술(IT) 기기에 적용
2. 수송 분야
- 사람과 물건을 이동하는 수송 분야
- 2010년 이후부터는 수송 분야에 리튬이온전지 적용 확대
예) 전기차, 전기 자전거, 전기 스쿠터 등
- 최근 전기차 시장은 국가간 경쟁이 치열하며 급성장 추세
- 전기차
- 전기차 구조의 예
3. 에너지 저장 시스템
- 에너지 저장 시스템의 역할
- 에너지 저장
: 태양광, 풍력 등의 신재생에너지를 필요한 시간대에 사용 가능하도록 미리 저장
: 지구 온난화, 그린 경제 열풍으로 신재생에너지에 주목
: 신재생에너지는 날씨에 따라 발전 출력이 불안정
→ 일정한 전력 수급 불가능
→ 이차전지에 저장이 필수적
- 부하 평준화(Load Leveling)
: 전력의 소비는 낮에는 다량, 심야에는 소량
: 생산되는 잉여전력을 저장하고 전력 피크 시간대에 사용하여 부화 평준화
4. 사물배터리 시대
- 사물배터리 시대
: 모든 사물이 배터리로 구동되는 BoT(Battery of Things) 시대
- 사물배터리 시대의 의미
: 일상 생활 곳곳에 배터리가 사용되는 환경
: 시공간에 구속되지 않고 언제 어디서든 에너지 사용 가능
: 최첨단 기기들을 작동하기 위해서는 배터리가 필요하듯 사물인터넷 역시 배터리가 필수적
