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일반적으로 리튬이온배터리의 4가지 구성 요소라고 하면 이 양극재, 음극재, 전해질, 분리막을 말합니다. 리튬이온배터리에서 리튬이 들어가는 공간이 바로 양극재입니다. 리튬 이온이 사는 집에 비유할 수 있죠. 리튬은 전자를 잃고 양이온이 되려는 경향이 강해서 양극 소재로 적합합니다.
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배터리의 작동원리를 알기 위해서는 먼저 배터리의 구성요소를 알아야 합니다.
4가지 구성 요소 양극, 음극, 전해액, 분리막 !!!
– 배터리 기본 성능과 관련된 것은 양극과 음극
– 배터리의 안전성과 관련된 것은 전해액과 분리막
4대 요소를 이해했다면 이제는 배터리 작동원리에 대해 알아 볼까요 ?
작동원리는 충전과 방전만 이해하면 쉬워요!
내용이 조금 복잡할 수 있지만 포기하지 말고~ 끝까지 집중!!
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차체에 전기 저장하는 ‘구조 전지’ 성능 10배 향상 – 사이언스타임즈
구조 전지는 탄소 섬유 전극과 리튬 철 인산염 전극으로 구성되며, 기계적인 동시에 전기적 기능을 결합하기 위해 구조적 배터리 전해액을 주입한다.
Source: www.sciencetimes.co.kr
Date Published: 9/21/2021
View: 8715
[2차전지] 리튬이온 배터리 기본 구조와 4대 소재 기술 발전 총망라
1. 리튬이온 배터리의 기본 구조 … 리튬 배터리는 양극(+)과 음극(-) 간 리튬이온의 이동을 통해 화학 에너지를 변환해 전기에너지를 만들어내는 장치이다 …
Source: lhseti123.tistory.com
Date Published: 3/7/2022
View: 5222
리튬 이온 전지의 구조 및 화학적 특성 | EAG Labs
리튬 이온 배터리의 구조 및 화학적 특성은 배터리가 고장 나는 이유를 이해하는 데 도움이되어보다 안전한 제품 및 개선을 유도합니다.
Source: www.eag.com
Date Published: 6/5/2021
View: 4369
리튬이온배터리
산업 생태계 분석(정의, 구조 및 특징). □ 충전이 가능한 2차전지인 리튬이온배터리. 리튬이온배터리(Lithium-ion Battery, LIB)는 외부의 전기 …
Source: ssl.pstatic.net
Date Published: 5/10/2021
View: 9605
2. 리튬 이차전지의 구성요소 (양극, 음극, 전해질, 분리막) 및 소재
양극: 리튬이온 배터리의 … 특성: 이온결합성 결정구조의 최조밀 결정구조 (육방조밀구조 (HCP), … 충전시 리튬양이 0.5 이하가 되면 구조변화 (O3 → P3).
Source: www.cheric.org
Date Published: 10/3/2022
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주제에 대한 기사 평가 배터리 구조
- Author: 삼성SDI
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- Date Published: 2019. 5. 16.
- Video Url link: https://www.youtube.com/watch?v=Ntb0zDLrM9A
리튬이온배터리의 구조와 작동 원리 – 배터리인사이드
지금까지 리튬이온배터리의 4대 구성 요소와 작동 원리를 살펴보았는데요. 우리 삶을 편리하게 만들어준 리튬이온배터리지만 지금 이 순간에도 여러 한계를 극복하기 위해 다양한 연구가 이뤄지고 있습니다. LG에너지솔루션 역시 업계를 선도하며 차세대 배터리 개발에 앞장서고 있는데요. 지난 4월 열린 <배터리 데이 2021> 행사에서 LG에너지솔루션은 2025년부터 리튬황배터리를, 2025년~2027년 전고체 배터리를 상용화할 계획을 밝힌 바 있습니다.
또 지난 9월에는 미국 샌디에이고대학교(UCSD)와의 공동연구를 통해 기존의 60℃ 이상에서만 충전이 가능했던 전고체 배터리의 기술적 한계를 극복했다고 밝히기도 했는데요. 통상 25℃의 상온에서도 빠른 속도로 충전이 가능한 장수명 전고체 배터리 기술을 개발했고 관련 논문이 세계적인 과학 저널인 ‘사이언스(Science)’지에도 게재되며 그 성과를 인정받은 것이죠. 지금 이 시간에도 차세대 배터리 상용화를 위한 노력은 계속되고 있으며, 우리는 우리도 모르는 새에 미래에 한 발짝씩 다가서고 있습니다.
차체에 전기 저장하는 ‘구조 전지’ 성능 10배 향상 – Sciencetimes
전기 자동차의 핵심인 배터리는 전기를 저장하는 용도로만 사용된다. 만약 자동차를 구성하는 다른 뼈대나 구조에 재료 전기를 저장하면 얼마나 좋을까?
이런 상상을 10여년간 연구한 스웨덴 차머스공과대학 (Chalmers University of Technology)연구팀이 경쟁력있는 ‘구조 전지’(structural battery)를 개발했다고 지난 1월 ‘첨단 에너지 & 지속가능성 연구’(Advanced Energy & Sustainability Research) 저널에 발표했다.
이 구조 전지는 지금까지 나온 모든 구조 전지의 저장 용량보다 10배 이상 높다. 아직은 배터리 전용인 리튬이온 배터리만큼 에너지를 저장할 수는 없다. 그러나 별도의 배터리 하중이 들어가지 않기 때문에 스마트폰, 전기자전거, 가전제품, 전기 자동차 등 다양하게 사용될 수 있다고 연구팀은 말했다.
배터리는 전기 자동차 무게의 상당 부분을 차지하지만, 하중을 지지하는 기능은 전혀 수행하지 않는다. 이에 비해 ‘구조 전지’는 전기차 구조의 기능을 수행하면서도 배터리 역할을 하는 새로운 개념의 획기적인 배터리이다. 예를 들어 구조 전지는 차체의 역할도 할 수 있다.
연구팀은 이 배터리에 ‘무질량'(massless) 에너지 저장이라고 이름을 붙였다. 왜냐하면 배터리 중량이 하중 지지 구조의 일부가 되면, 에너지를 저장하는 배터리 중량은 없는 것과 마찬가지이기 때문이다. 당연히 이런 유형의 복합기능 배터리는 전기 차량의 무게를 크게 줄일 수 있다.
전기 저장 능력 및 재료 강성 동시에 높아져
차머스 공과대학은 다년간에 걸쳐 구조 전지를 개발해왔다. 그중 하나가 특수 탄소섬유 배터리로서, 튼튼할 뿐만 아니라 전기 에너지를 화학적으로 저장하는 기능을 갖는다. 이 연구는 피직스 월드(Physics Wrld)가 선정한 2018년 10대 과학 발전의 하나로 뽑혔었다.
구조 전지를 만들기 위한 첫 시도는 2007년에 시작됐지만, 지금까지는 전기적 특성과 기계적 특성을 동시에 훌륭하게 발휘하는 배터리를 제조하는 것은 어려웠다.
그러던 중 차머스 대학 연구팀은 스웨덴 KTH왕립공과대학(KTH Royal Technology Institute)과 협력하여 전기 에너지 저장 및 재질의 강성면에서 지금까지 볼 수 없는 특성을 가진 구조 전지를 선보였다.
구조 전지는 탄소 섬유 전극과 리튬 철 인산염 전극으로 구성되며, 기계적인 동시에 전기적 기능을 결합하기 위해 구조적 배터리 전해액을 주입한다. 기본적으로 구조 전지 3개가 합성 라미네이트 재료를 사용하여 직렬로 연결된다. 개별 구조 전지의 공칭 전압은 2.8V이고, 3개 전지가 연결된 1개 라미네이트 배터리의 총 전압은 8.4V이다. 라미네이트의 강성은 28GPa를 조금 넘는다.
아직은 리튬 이온 배터리의 에너지 밀도와는 차이가 난다. 새 구조 전지의 에너지 밀도는 24Wh/kg로, 현재 사용 가능한 동급 리튬이온 배터리의 약 20%의 용량을 갖는다. 그러나 별도 배터리를 싣지 않기 때문에 차량 중량을 크게 줄이므로, 전기 자동차 운전에 필요한 에너지가 줄어든다. 전기 에너지 밀도가 낮아지면 안전성도 높아진다. 25GPa 강성을 가졌기 때문에 구조 전지는 일반적으로 사용되는 다른 많은 재료와 경쟁할 수 있다고 연구팀은 밝혔다.
“지금까지 나온 구조 전지는 기계적 특성만 좋거나 혹은 전기적 특성만 훌륭한 불완전한 형태였다. 이번에는 탄소섬유를 사용하여 경쟁력 있는 에너지 저장 용량과 견고성을 모두 갖춘 구조 전지를 설계하는 데 성공했다”고 연구책임자인 차머스 대학의 레이프 아스프(Leif Asp) 교수는 설명했다.
탄소섬유 사용, 알루미늄보다 가볍고 튼튼해
새 배터리는 탄소섬유로 만든 음극 전극과 리튬 철 인산-코팅 알루미늄 호일로 만든 양극 전극을 가지고 있다. 음극과 양극은 전해질 매트릭스에서 섬유 유리 천으로 분리된다.
현재, 스웨덴 국립 우주국이 지원하는 새로운 프로젝트가 진행 중이므로, 구조 전지의 성능이 더 향상될 것이다. 알루미늄 포일은 탄소 섬유로 대체되어 강성과 에너지 밀도를 높이고, 섬유 유리 분리기는 초박형 모델로 교체되면 저장 능력이 늘어나고 충전 주기도 더 빨라질 전망이다.
레이프 아스프 교수는 그럴 경우 구조 전지가 75Wh/kg의 에너지 밀도와 75GPa의 강성에 도달할 수 있다고 예상한다. 이것은 구조 전지가 알루미늄 만큼 튼튼하지만, 훨씬 가벼워진다는 것을 의미한다.
2010년에 구조 전지에 관한 첫 논문을 발표한 아스프 교수는 “몇 년 안에 작으면서도 현재보다 무게가 절반인 스마트폰, 노트북, 전기 자전거를 제조하는 것이 가능할 것”이라고 말했다.
장기적으로 전기 자동차, 전기 비행기, 인공위성도 구조 전지로 설계되고 작동될 것으로 예상된다.
(19522)
2. 2차전지의 역사 & 2차전지의 구조와 원리
1. 이차전지(Secondary Battery)의 역사
◈ 우리가 알고 있는 전지(Battery)는 1차전지(primary cell)와 2차전지(secondary cell)로 나뉜다.
1차전지는 한번만 사용할 수 있는 전지로 수은, 망간, 알카라인 리튬배터리 등이 있고, 2차전지는 전기에너지와 화학에너지의 반응을 통하여 반영구적 충·방전이 가능한 화학 전지이다.
1) 최초의 전지는 1800년 이탈리아 과학자 볼타(Volta)가 구리와 아연을 전극으로 하는 1차전지를 발명하였다.
볼타의 동료인 생물학자 갈바니가 죽은 개구리 뒷다리에 서로 다른 금속이 닿자 전류가 흘러 움직인다는 사실을 발견, 이에 의심을 품은 볼타는 수차례 실험을 통해 두 종류의 서로 다른 금속과 습기만 있으면 전기가 발생한다는 것을 발견, 인류 최초로 지속적으로 전류를 발생시킬 수 있는 볼타 전지를 발명하였다. 볼타 전지는 구리 원반과 산 용액에 적신 헝겊, 그리고 아연 원반을 교대로 쌓아서 만들어진 것으로 현재는 여러 단점들 때문에 사용되지는 않지만 당시에 물을 전기 분해하는 데에 쓰이는 등 화학의 발전에 지대한 공을 세웠다.
2) 이차전지(Rechargeable Battery)의 시초는 1859년 프랑스 물리학자 가스톤 플랑테(Gaston Plante)가
발명한 납축전지이다. 최초의 납축전지 납 축전지(lead–acid battery)는 납과 황산을 이용한 이차 전지로, 주로 자동차 시동용 배터리 등에 사용되며 교통사고시 큰 충격을 받아 케이스가 파손되어도 전해액만 흘러나갈 뿐 터지거나 화재가 발생하지 않아 안정적이고 다른 이차 전지보다 용량이나 전압이 크고 구조가 간단해 대량 생산이 용이하나, 부피가 크다는 단점이 있다.
3) 1960년대 니켈-카드뮴(Ni-Cd), 1980년대 니켈 망간(Ni-Mn), 1990년 니켈 수소(Ni-MH)등
니켈계 배터리가 개발 되었다.
니켈계 배터리는 작은 부피와 높은 에너지 밀도를 바탕으로 납축전지가 진입하기 힘든 소형 휴대기기 영역을 장악하였다.
4) 1991년 일본 Sony 사는 원통형 리튬이온전지( Lithium-Ion battery)를 세계 최초로 상업화 하였다.
작고 가벼우면서도 에너지 밀도, 출력 특성, 장시간 사용 등 성능면에서 가장 우수한 특성을 가지며, 현재 가장 많이 이용된다. 휴대전화, 캠코더, 디지털카메라, 노트북PC, MD 등에사용되고 있으며, 초박형이나 가공성을 요구하지 않는 분야에서 많이 사용되는데, 평균3.7V의 높은 작동전압으로 각종 휴대전화의 소형 경량화를 가능케 하였고, 통상 500회 이상의 충.방전 반복이 가능하다. 리튬이온전지는 폭발 위험이 있기 때문에 보호 회로가 장착된 PACK 형태로 판매되고 있다.
『 리튬이온전지와 기타 이차전지 비교』
구 분 납축전지 니켈-카드뮴 전지 리튬 이온 전지 평균 작동 전압 2.0V 1.2V 3.7V 체적 에너지 밀도 98mWh/cm3 100mWh/cm3 537mWh/cm3 중량 에너지 밀도 47mWh/g 38.2mWh/g 185mWh/g 가 격 83원/Wh 595원/Wh 337원/Wh 메모리 효과 있음 매우심함 전혀없음 충전 특성 12 ~ 13시간 14 ~ 15시간 2 ~ 3시간 수명 300회 이상 (유지보수 필요) 500회 이상 500회 이상 자기 방전율 10% 미만/월 (온도민감) 30% 이상/월 10% 미만/월 환경 친화도 나쁨 (납, 황산 등) 나쁨 (중금속-카드뮴) 좋음
5) 1996년 각형, 1999년 파우치형, 2003년 전동공구용 원통형 리튬이온 배터리의 개발을 통하여 널리
사용되었으며, 전기차용 리튬이온 배터리(원통형)는 국내기업인 LG화학이 세계 최초로 양산하였다.
『 리튬이온전지의 주요 연혁』
년도 1991 1996 1999 2003 2009 Type 원통형 각형 파우치(폴리머)형 공구용, 원통형 전기차용 중대형 제품형상 개발사 용도 캠코더, 노트북 휴대폰, PDA 휴대폰, PDA 전동공구 전기차 총생산량 0.1억개 1.2억개 4.1억개 13.2억개 32.4억개 시장규모 1.5억불 12억불 27억불 33억불 100억불 전지용량 1000mAh 1200mAh 1800mAh 2200mAh 3000mAh
자료: 한국전자정보통신산업진흥회
2. 리튬이온전지(Lithium Ion Battery)의 구조와 원리
▶ 방전시 전지의 음극은 전자를 내어주고 자신은 산화되는 물질이며, 양극은 전자를 받아 자신은 환원되는 물질이다.
충전은 이와 반대로 작용한다.
▶ 전해액을 통해 리튬이온이 음극에서 양극으로 이동하는 것이 방전(전력 사용)이고, 리튬이온이 양극에서 음극으로 이동하는 것이 충전(전력 저장)이다.
▶ 리튬이온배터리는 기본적으로 양극활물질(Cathode), 음극활물질(Anode), 분리막(Separator), 전해질(Electrolyte) 및 용기(Container) 등으로 구성되어 있다.
▶ 리튬이온배터리는 양극재, 음극재, 분리막을 적층하고 두루마리 형태로 감아서 용기에 삽입한 후, 전해액을 주입하고 밀봉하여 제조한다.
▶ 양극재와 음극재는 충·방전시 리튬이온을 제공하거나 저장하는 역할을 하며 배터리의 성능(용량과 전압)을 결정하고, 전해액과 분리막은 배터리의 안정성을 좌우한다.
▨ 양극재 (양극활물질, 도전재, 바인더, 집전체(알루미늄 기재))
▶ 양극은 리튬이 들어가는 공간으로 리튬은 원소 상태에서 반응이 불안정하기 때문에 산소와 결합한 리튬산화물의 형태로 양극에 사용되는데, 이 리튬산화물이 전극 반응에 관여하는 양극활물질이다. ▶ 니켈, 코발트, 망간, 알루미늄 등 원료에 화학반응을 통해 전구체를 만든 뒤, 고온에서 리튬과 함께 녹여 합성시키면 양극재가 된다.
자료: 삼성 SDI
▶ 양극재는 알루미늄(Al) 기재에 활물질, 도전재, 바인더를 섞은 합제를 코팅한 후, 건조, 압착하여 제작한다.
▶ 도전재는 리튬산화물의 전도성을 높이기 위해 첨가하고, 바인더는 알루미늄 기재에 활물질과 도전재가 잘 정착하도록 도와주는 일종의 접착제 역할을 한다.
▶ 양극활물질이 배터리의 용량과 전압을 결정하는데, 리튬을 많이 포함하면 용량이 커지고 음극과 양극의 전위차가 크면 전압이 커진다.
▶ 양극활물질의 중요도가 전체 리튬이온배터리 내에서 가장 크기에, 양극활물질 계열에 따라 리튬이온 배터리를 분류한다. ▶ 양극재는 배터리 소재 원가 중 가장 큰 비중(40%)을 차지하며, 비용 절감과 고성능을 위해 니켈 사용량 증가 추세이다.
▧ 음극재 (음극활물질, 도전제, 바인더, 집전체(구리 기재))
▶ 음극 역시 양극처럼 음극 기재에 음극활물질이 입혀진 형태로 이루어져 있다.
▶ 음극은 양극에서 나온 리튬이온을 저장, 방출함으로써 외부회로를 통해 전류를 흐르게 하는 역할을 한다. ▶ 배터리가 충전상태일때 리튬 이온은 양극이 아닌 음극에 존재, 이때 양극과 음극을 도선으로 이어주면(방전) 리튬 이온은 자연스럽게 전해액을 통해 다시 양극으로 이동하게 되고, 리튬이온과 분리된 전자(e-)는 도선을 따라 이동하면서 전기가 발생한다. ▶ 음극재는 구리(Cu) 기재 위에 활물질, 도전재, 바인더가 입혀진다. ▶ 음극활물질은 대부분 흑연(Graphite)이 사용되는데, 흑연은 구조적 안정성, 낮은 전자 화학 반응성, 많은 리튬이온 저장 능력, 저렴한 가격 등의 조건을 갖췄다.
▩ 전해액 (염, 용매, 첨가제)
▶ 리튬 이온은 전해액으로 이동하고 전자(e-)는 도선으로 이동하는 것이 배터리의 핵심이다. ▶ 만약 전자가 도선이 아닌 전해액을 통해 이동하게 되면 전기를 사용할 수 없을 뿐만 아니라 안전성까지 위협받게 되는데 전해액이 바로 그런 역할을 수행하는 구성요소 이다.
▶ 전해액은 배터리의 충·방전시 리튬이온이 잘 이동할 수 있도록 하는 매개체 역할을 하는 물질로 이온 전도도가 높은 물질이 주로 사용된다. 자료: 삼성 SDI
▶ 전해액은 염, 용매, 첨가제로 구성되어 있다. 염은 리튬이온이 지나갈 수 있는 이동 통로, 용매는 염을 용해시키기 위해 사용되는 유기 액체, 첨가제는 특정 목적을 위해 소량으로 첨가되는 물질이다.
▶ 전해액의 종류에 따라 리튬이온의 움직임이 둔해지기도 하고 빨라지기도 한다. 그래서 전해액은 까다로운 조건들을 만족해야만 사용 가능하다. ▶ 전지 조립 공정을 거친 후 마지막에 전해액을 주입해 분리막과 전극에 스며들도록 함으로써 리튬이온이 전달되는 통로와 활물질-전해액 계면을 형성한다.
▶ 전해액은 다른 소재 대비 제조 진입 장벽이 낮아 중국이 대량 생산을 통한 저가 공급으로 시장 점유율이 높다.
▦ 분리막 ▶ 양극과 음극이 배터리 성능을 결정짓는다면 전해액과 분리막은 배터리 안전성을 결정짓는 요소라 할 수 있다.
▶ 분리막은 양극과 음극이 물리적으로 접촉하여 생기는 전기적인 단락(화재, 폭발)을 방지하고 리튬이온의 전극간
이동을 가능하게 해주는 다공성 고분자 필름으로 양.음극의 물리적 접촉을 막는 전기적 절연체이다.
▶ 내부의 미세한 구멍을 통해 리튬이온만 이동하게 하고, 전자가 전해액으로 직접 흐르지 않도록 한다. 즉, 물리적인 조건과 전기 화학적인 조건을 모두 충족시킬 수 있어야 한다.
▶ 현재 상용화된 분리막으로는 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP)와 같은 합성수지가 있다.
▶ 분리막은 배터리 소재중 원가 비중이 두번째로 높으며(15%),
습식(wet) 분리막의 품질과 강도가 우수하여 건식(dry)에 비해 가격이 높음에도 시장의 70% 이상을 차지한다.
▤ 동박
▶ 동박은 6∼8㎛의 얇은 구리 foil이며 음극활물질에서 발생되는 전자의 이동경로 및 배터리 내부에서 발생하는 열을 외부로 방출하는 역할을 한다.
▒ 파우치 필름 (Aluminum Pouch Film)
▶ 파우치 필름은 알루미늄 소재로서 배터리 외부를 감싸 충격이나 외부 환경으로부터 내용물을 보호하는 역할을 하는 소재로 기술 진입 장벽이 높고, 배터리 원가의 12%를 차지한다.
▶ 일본 DNP와 쇼와덴코가 압도적 기술력으로 세계시장의 70%을 차지하며, 국내 배터리3사도 전량 수입에 의존하고 있다.
▶ LG화학과 SK이노베이션의 전기차 배터리는 전량 파우치형이고, 삼성SDI는 소형배터리에 파우치 필름을 사용한다. 일본 경제보복 이후 일본산 의존도가 높은 배터리 파우치 필름을 국산화하기 위해 율촌화학, BTL첨단소재 등 국내 제조사들과 협의 중이다. ▶ 파우치 필름 세계 시장은 2030년까지 약 21조원 규모로 빠르게 성장할 것으로 전망된다. ▶ BTL첨단소재는 2022년 코스닥 기술 특례 상장을 추진중이며, 케이피엠테크가 지분 32.5%를 보유해 최대주주이다. 자료: BTL첨단소재 (알루미늄 파우치 필름)
▶ 2차전지 소재에 따른 가격 비중은 양극재 40%, 음극재 10%, 분리막 15%, 전해액 10%, 기타 25% 정도이다.
자료: SNE 리서치
[2차전지] 리튬이온 배터리 기본 구조와 4대 소재 기술 발전 총망라
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하이투자증권_정원석, 정민석_2차전지_200708
‘3가지 마법의 가루(첨가제)’
1. 리튬이온 배터리의 기본 구조
배터리 구조
리튬 배터리는 양극(+)과 음극(-) 간 리튬이온의 이동을 통해 화학 에너지를 변환해 전기에너지를 만들어내는 장치이다.
리튬 배터리를 이루는 4대 구성요소는 양극, 음극, 분리막, 전해액이다.
↓각 요소의 기능 설명
더보기 양극은 리튬과 산소가 만난 리튬 산화물(Li+O)로 구성되어 있다. 충전 시에는 양극을 이루는 물질 중에서 리튬이온만 빠져나와서 음극으로 이동한다. 반면 음극은 양극에서 나온 리튬이온을 저장, 보관하는 환원 반응을 보였다가 방전 시 리튬이 리튬이온으로 산화되어 빠져나오면서 외부 회로를 통해 전류가 흐르게 된다. 배터리의 양극과 음극 사이에는 분리막이 있다. 분리막은 미세한 구멍이 있어 리튬이온이 양극과 음극을 오갈 수 있게 한다. 또한, 폭발 방지를 위해 양극과 음극의 물리적 접촉을 막는 격리막 역할도 하게 된다. 마지막으로 전해액은 양극과 음극 간의 이온 이동을 가능케 하는 중간 매개체로 리튬이온의 원활한 이동을 돕는 역할을 한다.
① 양극
양극은 [양극재 + 도전재 + 바인더](=합제) + 양극판(알루미늄박)으로 구성된다,
양극재는 양극활물질로 우리가 아는 니켈, 리튬, 코발트 등이 여기 들어간다.
도전재는 양극, 음극 내 전자 이동을 촉진시키는 역할을 한다.
바인더는 합제를 알루미늄박에 붙이고 지지해주는 역할을 한다.
→ 여기서 양극재가 배터리의 용량과 평균 전압을 결정한다.
양극재는 구성성분에 따라 크게 LCO, NCM, NCA, LMO, LFP로 구분된다. NCA배터리, LFP배터리 등과 같이 양극재의 종류에 따라 배터리 이름을 붙이는 경우가 많으며, 여기서 L은 리튬, C는 코발트, N은 니켈, A는 알루미늄, M은 망간, F는 철을 뜻한다. NCM622, NCM811라고 이름 붙여져 있으면 이때, 숫자는 각 성분의 구성 비율이다. N, C, M이 6:2:2로 이루어져 있다 이런 뜻이다.
양극재는 결정격자구조에 따라 1) 층상, 2) 스피넬, 3) 올리빈 구조로 나뉜다.
1) 층상 구조로는 LCO , NCM , NCA 가 속한다.
넓고 평평한 층간 사이에 많은 양의 리튬이온을 보관할 수 있어 에너지 용량이 높은 장점이 있는 반면 고전압 충전 시 안정성이 떨어지는 단점이 있다.
2) 스피넬 구조로는 LMO 가 있다.
코발트를 사용하지 않기 때문에 가격이 낮고 격자 구조가 입체적 형태를 가져 안정성이 우수하다. 그러나 에너지 용량이 적고 충방전이 계속될수록 용량 및 수명이 저하되는 문제점이 있다.
3) 올리빈 구조엔 LFP 가 있다.
육면체 형태로 되어있어 안정성이 높고, 코발트 대신 저가의 철을 사용해서 가격이 싸다. 그러나 LFP의 동작 전압은 다른 리튬이온 전지보다 낮아 상대적으로 에너지 밀도가 낮다.
주요 양극활물질 종류별 구조 및 특성
<향후 양극 소재의 발전 방향>
▶ 어떻게든 배터리 ‘에너지 밀도’를 높이려고 하고 있다.
그 방법으로 2가지,
① High-Nickel 양극재 개발 (ex. NCM811, NCA)
② 도전재 : 기존 Carbon black → CNT(탄소 나노튜브)로 대체
① : 양극재에서 니켈의 비중을 지속적으로 늘리고 있다. 니켈은 배터리의 에너지 밀도를 높여준다. 많이 넣으면 넣을수록 에너지 밀도가 높아지는데, 그러면 전기차 주행 거리가 늘어나고 용량당 판가를 낮춰 가격 경쟁력을 높일 수 있다. 허나, 니켈 비중을 높이면 안정성이 떨어지는 문제가 있다. 기존의 LFP, LMO에서 니켈 비중을 높인 NCM 배터리로, 또 NCM 중에서도 NCM622에서 더 나아가 NCM811, NCM9(1/2)(1/2)로 니켈 함량을 계속 높이고 있고 최근엔 NCA, NCMA 배터리를 개발하여 니켈 비중을 80~90% 까지 올리는 ‘하이 니켈’ 배터리를 만들고 있다.
② 주로 카본블랙이 쓰이던 기존에 양극 도전재에 CNT와 같은 다양한 탄소 재료가 개발·적용 중이다. CNT(탄소 나노튜브)를 사용 시 카본블랙에 비해 훨씬 적은 양으로도 양극재 입자를 더 효과적으로 연결시킬 수 있어서 사용량을 1/5 수준으로 줄일 수 있다. 따라서 동일 부피 내에서 도전재, 바인더 사용량을 줄이고 NCM, NCA와 같은 양극활 물질(양극재)을 더 많이 투입할 수 있기 때문에 배터리 에너지 밀도를 높일 수 있으며 이는 곧 생산 원가 절감에 도움을 준다.
기존 카본블랙을 CNT로 대체시 배터리 에너지 밀도 향상
② 음극
음극은 양극과 구조가 똑같다. [음극재 + 도전재 + 바인더](=합제) + 음극판(구리박) 이루어지며,
차이는 양극재 대신 음극재, 알루미늄 양극판 대신 구리 음극판이 쓰인다는 것이다.
음극은 양극에서 나온 리튬 이온을 받아주는 역할을 하기 때문에, 양극재에서 높은 에너지를 생성하더라고 이를 저장하는 장소인 음극재가 균형이 받쳐주지 못하면 전지의 효율성이 떨어진다. 따라서, 양극재가 발전할수록 음극재의 변화도 필수적이다.
특히, 충전 시 음극재가 리튬이온을 더 잘 받아들일 수 있어야 충전 시간도 짧아질 수 있다.
→ 양극재 기술 발전은 에너지 밀도에 향상에 , 음극재 기술 발전은 충전 시간 단축에 초점이 맞춰져 있다.
음극활물질엔 오래전부터 지금까지 꾸준하게 흑연이 가장 많이 사용되었다. 최근 배터리 업계는 고용량 배터리를 향한 시대적 요구에 맞춰 차세대 음극활 소재 개발이 진행되고 있고, 흑연의 뒤를 이을 소재로 손꼽히는 것이 실리콘(Si)이다. 실리콘은 흑연보다 훨씬 효율적인 결정 구조를 갖고 있어 에너지 밀도가 흑연보다 10배 이상 크다.
주요 음극활물질 종류별 구조 및 특성
<향후 음극 소재의 발전 방향>
▶ 에너지 밀도 향상과 충전 시간 단축 을 꾀하고 있다.
① 실리콘(Si) 음극활 물질 첨가
② Si의 팽창 문제를 보완해주기 위해 CNT 도전재 사용
앞서 말했듯, 음극활 물질로 흑연 대신 실리콘을 사용하게 되면 에너지 밀도가 높아지고, 그로 인해 충전 시간이 단축된다.
실리콘이 흑연보다 장점밖에 없다면 누구나 흑연 대신 실리콘을 사용할 터다. 허나, 실리콘은 장점을 상쇄할 만큼 치명적인 단점 이 존재한다.
첫째는 구조적 안정성의 문제로, 리튬 이온이 실리콘에 저장될 때마다 음극의 부피가 커지는 현상(리튬화)이 발생해 몇 번 충방전을 반복하다 보면 전지의 급격한 에너지 용량 감소가 발생하고 수명이 짧아지게 된다.
둘째, 음극재의 계면 상태 변화가 발생해 효율이 빠르게 감소된다. 앞서 말한 실리콘의 팽창 문제로 음극재 표면에 형성되는 보호막인 SEI층이 쉽게 파괴되는데, 이게 파괴됐다가 전해질에 의해 다시 생성되고 다시 파괴되고를 반복하면서 SEI층이 두꺼워진다. SEI층이 두꺼워지면서 리튬 충방전이 잘 안되어 배터리 수명을 단축시키는 문제가 발생한다.
실리콘 음극활물질의 문제점 1. 구조적 안정성 2. 과도한 SEI 층 생성
이를 해. 결하고자! 음극재 도전재에 CNT를 사용한다.
CNT를 사용하면 실리콘 음극재의 팽창을 잡아줄 수 있다. CNT가 실리콘 부피 팽창의 완충작용을 하여 전극의 수명 및 에너지 특성을 향상시킨다. 물론, 도전재에 CNT를 쓰는 거 자체로 음극재의 에너지 밀도를 높여서 배터리 용량이 증가하는 효과도 같이 얻을 수 있다.
도전재에 CNT를 넣을 수도 있고, 아니면 첨부터 실리콘에 CNT를 복합시켜서 음극활물질로 이용하기도 한다. 이렇게 해도 효과적으로 부피 팽창을 잡을 수 있다.
국내에서 그리고 세계적으로 음극재 도전재 CNT 기술 상용화는 ‘나노신소재’가 유일하며, ‘LG화학’과 협력해 실제 제품을 만들고 있다.
→ 어쨌든 정리해보면, 음극에 실리콘을 사용하는 것으로 충전 시간 단축을 꾀할 수 있고(+에너지 용량 향상) 실리콘을 사용하기 위해선 CNT를 무조건 같이 써야 한다. 음극재 실리콘 시장과 CNT 도전재 시장은 같이 성장하면서 연평균 CAGR 200%가량을 찍을 전망이다.
③ 전해액
전해액은 염(전해질), 용매, 첨가제로 구성되어있다.
염은 리튬이온의 이동 통로로 작용하며, 유기용매에 쉽게 용해되는 물질로 이루어져 있다. 용매는 이러한 염을 용해시키는 액체로 Ethylene Carbonate(EC), Propylene Carbonate(PC) 등이 주로 사용된다. 첨가제는 전지의 전체적인 성능 향상을 일으키는 물질로, 양극과 음극용이 따로 있으며 다양한 품목이 존재한다.
가장 대중적인 전해질은 LiPF6로써 소형 IT 용 2차전지 등에 주로 사용된다. 일반적으로 전기차용 전해질을 LIPF6에다가 LiFSI(F전해질), LiPO2F2(P전해질), LiDFOP(D전해질), LiBOB(B전해질) 등이 추가된다.
》 LiFSI(F전해질)은 배터리 수명 향상 , 저온 환경에서의 방전 억제 효과 가 있다.
》 LiPO2F2(P전해질)은 이온 전도도를 높여 충방전 속도를 높이고 , 높은 전압에서 배터리 수명을 개선 시키며, 전해질의 분해 속도를 감소 시킨다.
》 LiDFOP(D전해질) 은 배터리 수명 개선 , 출력 개선 , 충전시간 단축 , 고온 안정성 개선 효과가 있다. 국내에서 ‘천보’가 D전해질 기술을 보유하고 생산하고 있다.
》 LiBOB(B전해질)은 배터리 안정성 개선 , 상온 및 저온 출력 증대 , 순간 출력 향상 , 배터리 수명 개선 효과 가 있다.
④ 분리막
분리막은 PE, PP 소재로 만들며 제조 방식에 따라 습식과 건식으로 나뉜다.
습식은 PE를 사용하며, 제작이 간편하고 기공이 균일하다는 장점이 있는 반면 초기 투자비용이 많고 유해물질이 발생한다는 단점이 있다. 주로 휴대폰이나 노트북 등 소형 모바일용 배터리에 쓰인다.
건식은 PP, PE 둘 다 사용하며, 습식에 비해서 초기 투자비용이 덜 들고 유해물질이 나오지 않아 친환경적이라는 장점이 있지만, 기술장벽이 높아 만들기가 쉽지 않다. 주로 중대형의 전기자동차용 배터리에 쓰인다.
→ SK이노베이션은 세라믹 양면 코팅 분리막 기술을 선점해서 개발하고 있고, LG화학은 ‘Dip’ 코팅 방식을 적용한 나노 세라믹 코팅 기술을 가지고 배터리를 생산하고 있다.
하지만, 분리막은 앞으로 나올 전고체 배터리에 쓰이지 않기 때문에 성장 가능성에 대해선 의문이 있다.
마지막으로, 4대 소재의 기술 발전 현황을 로드맵으로 확인해보자.
주요 소재별 기술 변화 로드맵
리튬 배터리 첨가제 시장 성장 규모
나온 지 꽤 시간이 지난 보고서지만, 공부할 점이 너무 많아 블로그에 꼭 다루고 싶어 글을 작성하게 되었습니다.
도움이 되셨다면 구독과 댓글 부탁드립니다 ㅎㅎ
2차전지_200708_3가지 마법의 가루(첨가제).pdf 7.75MB
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리튬 이온 전지의 구조 및 화학적 특성
리튬 이온 전지의 구조 및 화학적 특성
애플리케이션 노트
Linda Romano, Ph.D., 과학자
소개
리튬 이온 배터리는 지난 10 년 동안 휴대용 전자 기기, 통신 및 전기 자동차 (EV)와 같은 대용량 애플리케이션의 주요 전원으로 급속히 발전했습니다. 특성화 기술의 지속적인 개선은 배터리 제조업체 및 최종 사용자가 높은 배터리 효율성, 낮은 비용 및 가장 중요한 안전성을 요구하므로 산업, 규제 및 소비자 니즈를 충족시켜야합니다.
토론
EAG Laboratories에서는 리튬 이온 배터리의 구조 및 화학적 특성에 적합한 일련의 기술을 제공합니다. 주사 및 투과 전자 현미경 (SEM 및 TEM)는 배터리에서 다양한 층의 두께 및 미세 구조를 제공하는데 사용된다. 이온 밀링 기술은 배터리 물질의 원래 상태를 정확하게 표현하기 위해 샘플의 무결성을 유지하는 데 사용됩니다. 이것은 프로세스 개발 또는 배터리 고장을 올바르게 이해하기 위해 필수적입니다. X- 선 회절 (XRD)과 결합 된 TEM을 사용하여 Li- 이온의 확산과 관련된 위상 변환을 분석 할 수도 있습니다. 또한, 전극-전해질 계면 반응에 의해 야기 된 얇은 SEI 층의 두께는 TEM에 의해서만 시각화 될 수있다.
배터리 물질의 분해 메커니즘은 X- 선 광전자 분광법 (XPS) 화학 상태 정보 및 가스 크로마토 그래피를 검출하기 위해 (GCMS) 기술을 사용하여 배터리의 팽창을 초래할 수있는 휘발성 구성 요소를 감지합니다. 이러한 기술은 라만 및 적외선 분광법 (FTIR), 글로 방전 질량 분석법 (GDMS)는 존재할 수있는 불순물을 포함하여 배터리에 존재하는 유기 및 무기 종을 감지 할 수 있습니다. 유도 결합 광학 방출 기술 (ICP-OES)는 리튬 이온 배터리의 사이클 안정성을 조정하는 데 필수적인 1 % 불확도 내에서 Li / 금속 비율을 결정하는 데 사용할 수 있습니다.
리튬 배터리
EDX를 이용한 주사 전자 현미경
배터리 사이클링
TEM 화학 매핑 – 음극
양극의 TEM
TEM 양극 (Anode) 구조의 일부 단면은 흑연 혈소판의 적재를 보여줍니다. SAED는 혈소판의 평행 배향을 보여준다.
배터리 음극의 ICP-OES
배터리 성능 저하는 전기 활성 리튬의 손실과 직접 관련이 있습니다. EAG는 다양한 충전 상태에서 또는 충전 / 방전 사이클의 일정 횟수 후에 배터리 셀로부터 전기 활성 음극 부품을 추출하기위한 프로토콜을 개발했습니다. 음극의 원소 조성을 정확하게 결정하기위한 ICP-OES 기술. 쉽게 이온화 된 종이므로, 리튬 분석은 도전적이며 이러한 영향을 고려한 프로토콜로 실행해야합니다. 위의 표는 우리의 고성능 ICP-OES 기술에 의해 결정된 리튬 및 전이 금속 함량,이 경우 Mn을 포함하여 추출 된 음극 조성물을 보여줍니다. 이 기법을 사용하면 리튬 함량 변화를 정확히 추적 할 수 있습니다 (1 % 상대 변화보다 낮음).
음극의 XRD 위상 식별
FTIR 스펙트럼 – 분리기
구분 기호는 다음을 포함합니다.
에틸렌 및 디 에틸 카보네이트와 유사한 유기 탄산염
아미드 (1635 cm -1 )
) NH 및 / 또는 OH 함유 종 (3638 및 3447 cm-1)
고해상도 XPS 스펙트럼
XPS – Cu 스펙트럼 비교
XPS – 원소 조성 (원자 %)에이 비 씨 디이
a 감지 된 요소의 100 %로 정규화되었습니다. XPS는 H 또는 He를 감지하지 않습니다.
b 파선 “-“는 요소가 감지되지 않음을 나타냅니다.
c “x”는 겹치는 Fe3p 피크의 스펙트럼 간섭으로 인해 Li의 존재를 확인하거나 배제 할 수 없음을 나타냅니다.
d 물음표 “?” 종이 측정의 검출 한계 또는 그 근처에 존재할 수 있음을 나타냅니다.
e 분리기 (1) 및 음극에서 미량의 Mg 및 S가 검출되었습니다.
GCMS의 전해질 용제
실험적
배터리 사이클링 : +/- 10V에서 양극 및 음극 재료의 충 / 방전을 평가합니다.
FTIR : 분석 된 2 개의 샘플은 분리기 성분 및 결합제 성분을 포함한다. 각 샘플의 표면은 Continuum 현미경이 장착 된 Thermo-Nicolet 6700 푸리에 변환 적외선 (FTIR) 분광계를 사용하여 감쇠 된 전반사 (ATR) 모드에서 검사되었습니다. Si 결정은 1 미크론 정도의 전형적인 침투 깊이로 사용되었다. 분석 스폿 크기는 대략 100 마이크론 x 100 마이크론이었습니다. OMNIC 8.0 소프트웨어를 사용하여 데이터 분석을 수행했습니다.
TEM : TEM 준비 샘플은 FEI Strata Dual Beam FIB / SEM에서 현장 FIB 리프트 아웃 기술을 사용하여 준비되었습니다. 샘플을 Ir 층으로 덮고, FIB 전자 빔 및 i 빔을 FIB 밀링 전에 표적화 된 영역 위에 침착시켰다. 샘플은 밝은 필드 TEM 모드 및 하이 앵글 연감 암 필드 (HAADF) STEM 모드에서 20kV에서 작동하는 FEI Tecnai Osiris TF-200 FEG / TEM으로 이미징되었습니다. EDX지도는 FEI Tecnai Osiris ChemiSTEM 시스템에서 공칭 2nm 전자 빔과 Bruker 4SDD 검출기를 사용하여 STEM 모드에서 얻었다.
XRD : 모든 데이터는 Cr x-ray 소스 (λ = 2Å)가있는 Bruker GADDS 2.28973D 영역 검출기에서 수집되었습니다.
SEM : 이온 밀링으로 단면 샘플을 준비한 다음 Ir으로 코팅하여 충전을 줄였습니다.
XPS : X 선 광전자 분광법은 정량적 원자 구성과 화학을 결정하는 데 사용됩니다. XPS는 단색 X- 선으로 샘플을 조사하여 작동하여 에너지가 원소 및 화학적 / 산화 상태의 특징 인 광전자를 방출하며, 그 강도는 샘플링 부피 내에 존재하는 원소의 양을 반영합니다. . 광전자는 X 선 침투 깊이 (일반적으로 수 마이크론) 내에서 생성되지만 상단 ~ 50-100Å 내의 광전자 만 감지됩니다 (자세한 내용은 아래의 각도 분해 XPS 참조). 분석 된 지역은 1400umx 3000um입니다. 검출 한계는 약 0.05 ~ 1.0 원자 %입니다.
GCMS : 유리 시린지를 사용하여 테트라 하이드로 퓨란 “THF”를 배터리에 직접 주입 한 다음, 동일한 주사기로 용매를 제거 하였다. 이 과정을 ~ 0.5 mL가 회수 될 때까지 반복했다. 회수 된 추출물을 GCMS에 직접 주입 하였다.
ICP-OES : 유도 결합 플라즈마 분석 기술은 ppt에서 wt % 범위까지 물질의 원소 함량을 정량적으로 측정 할 수 있습니다. 고체 샘플은 일반적으로 산성 수용액 인 액체에 용해되거나 소화됩니다. 용액은 약 8000 ° C의 온도에 도달 할 수있는 유도 결합 아르곤 플라즈마의 코어에 분사됩니다. 이러한 높은 온도에서 모든 분석 물질은 원자화되고 이온화되고 열적으로 여기 된 다음 방출 분광계 (ICP-OES)로 검출 및 정량화 할 수 있습니다.
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