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휴대용 전원 공급 장치는 현대 기술의 세계, 특히 리튬 이온 배터리가 제대로 작동할 수 있게 해 주었습니다. 모든 자동차가 내연기관이 아닌 인덕션 모터에 의해 구동된다고 상상해 보세요. 인덕션 모터는 거의 모든 공학적 측면에서 IC 엔진보다 훨씬 우수할 뿐만 아니라 더욱 견고하고 저렴합니다. IC 엔진의 또 다른 큰 단점은 좁은 범위의 엔진 RPM에서만 사용 가능한 토크를 발생시킨다는 것입니다. 이러한 모든 요소들을 고려해 볼 때, 인덕션 모터는 분명히 자동차에 완벽한 옵션입니다. 하지만, 자동차 산업에서 주요한 인덕션 모터 혁명을 달성하는 데 있어서 진정한 애로가 인덕션 모터에 전력을 공급하는 기술입니다. 테슬라가 리튬 이온 전지의 도움을 받아 어떻게 이 문제를 해결했는지, 그리고 리튬 이온 전지가 앞으로 더 발전할 수 있는 이유를 알아봅시다.
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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: 4/5/2022
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알고 보면 재미 있는 과학 – 이차전지 이야기
이번에 사내 필진 3기로 참여하게 된 전지소재팀 김효상 선임연구원입니다. … 이를 층상구조라고 하는데 양극에서 빠져 나온 리튬원자 들이 이러한 …
Source: gscaltexmediahub.com
Date Published: 2/26/2021
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전지구조 > 리튬이차전지 > (주)유로셀
전지구조 ; – 높은 에너지 밀도. – 가벼운 케이스 무게. – 셀 디자인 설계 용이. – 파우치형 대비 낮은 생산단가(각형권취). – 높은 내구성. – 낮은 제품 단가 및 제조 …
Source: eurocell.co.kr
Date Published: 8/20/2021
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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: 2/28/2021
View: 4714
딱 네 가지로 끝. 리튬이온 이차전지 구조와 역할!?
이차전지의 구성요소 ‘네 가지’ 와 구조 · 1. 양극 2. 음극 3. 분리막 4. 전해액 으로 구성됩니다. 그리고 여기에서 조금만 더 들어가보면 각 양극과 음극 …
Source: i-love-mystory.tistory.com
Date Published: 2/19/2021
View: 4363
3차원 구조 고용량 박막 이차전지용 전극 소재 – Korea Science
박막전지의 구조 및 원리. 리튬 이온 이차전지는 두 개의 전극 사이에 유기전해. 질을 넣어서 가역적 리튬 이온의 탈삽입을 가능하게 하.
Source: www.koreascience.or.kr
Date Published: 5/16/2021
View: 4049
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- Author: Lesics 한국어
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- Date Published: 2019. 7. 18.
- Video Url link: https://www.youtube.com/watch?v=qEvqUn6EsOE
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.
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
리튬이온 배터리의 4대 요소
최근 대형 가전 회사에서 앞다투어 스틱형 무선청소기를 출시하고 있습니다.
어린이도 사용이 가능할 정도로 가벼우면서도 흡입력이 뛰어나 많은 사랑을 받고 있는데요.
이러한 무선청소기가 세상에 나올 수 있었던 데에는 리튬이온 배터리가 한 몫 했습니다.
다른 배터리에 비해 가볍고 높은 에너지 밀도로 고용량, 고효율 구현이 가능한 리튬이온 배터리는 소형 가전, IT 디바이스부터 전동공구, ESS, 전기차까지 두루 쓰이고 있습니다.
오늘은 리튬이온 배터리, 그 속을 알아보겠습니다.
삼성SDI의 리튬이온 배터리
리튬이온 배터리의 4대 구성요소 – 양극, 음극, 전해액, 분리막
리튬이온 배터리는 크게
4개의 구성요소로 이루어지는데요,
양극, 음극, 전해액, 분리막이 바로 그 주인공이랍니다.
하나라도 빠지면 배터리 역할이 불가능한 필수적인 존재들이죠.
리튬이온 배터리의 4대 요소
▶ 리튬이온 배터리의 용량과 전압을 결정하는 ‘양극’
‘리튬이온’ 배터리는 리튬의 화학적 반응으로 전기를 생산하는 배터리죠.
그래서 당연히 리튬이 들어가게 되는데 그 공간이 바로 ‘양극’입니다.
하지만 리튬은 원소 상태에서는 반응이 불안정해서 리튬과 산소가
만난 리튬산화물이 양극에 사용되는데요.
리튬산화물처럼 양극에서 실제 배터리의 전극 반응에 관여하는 물질을
‘활물질’이라고 부릅니다.
즉, 리튬이온 배터리의 양극에서는
리튬산화물이 활물질로 사용되는 것이죠.
양극을 조금 더 자세히 살펴보면,
양극의 틀을 잡아주는 얇은 알루미늄 기재에 활물질과 도전재 그리고 바인더가 섞인 합제가 입혀져 있습니다.
활물질은 리튬이온을 포함하고 있는 물질이고,
도전재는 리튬산화물의
전도성을 높이기 위해서 넣고,
바인더는 알루미늄기재에 활물질과 도전재가 잘 정착할 수 있도록 도와주는
일종의 접착 역할을 합니다.
이렇게 만들어진 양극은 배터리의 특성을 결정짓는 중요한 역할을 하는데요,
어떤 양극활물질을 사용했느냐에 따라 배터리의 용량과 전압이 결정된답니다.
리튬을 많이 포함했다면 용량이 커지게 되고, 음극과 양극의 전위차가 크면 전압이 커집니다.
일반적으로 음극은 종류에 따라 전위의 차이가 작은데 반해
양극은 상대적으로 차이가 크기 때문에 양극이 배터리 전압을 결정짓는 데 중요한 역할을 합니다.
▶ 전자를 도선으로 내보내는 ‘음극’
음극 역시 양극처럼 음극 기재에 활물질이 입혀진 형태로 이루어져 있습니다.
음극 활물질은 양극에서 나온 리튬이온을 가역적으로 흡수/방출하면서 외부회로를
통해 전류를 흐르게 하는 역할을 수행합니다.
배터리가 충전상태일 때 리튬 이온은 양극이 아닌 음극에 존재하는데요,
이 때 양극과 음극을 도선으로 이어주면(방전) 리튬 이온은 자연스럽게 전해액을 통해
다시 양극으로 이동하게 되고, 리튬이온과 분리된 전자(e-)는 도선을 따라 이동하면서 전기를 발생합니다.
음극은 구리 기재 위에 활물질, 도전재, 바인더가 입혀지는데요,
음극에는 대부분 안정적인 구조를 지닌 흑연(Graphite)이 사용됩니다.
흑연은 음극 활물질이 지녀야 할 많은 조건들인 구조적 안정성, 낮은 전자 화학 반응성,
리튬 이온을 많이 저장할 수 있는 조건, 가격 등을 갖춘 재료로 꼽히고 있습니다.
▶ 이온만 이동시키는 ‘전해액’
앞서 양극과 음극을 설명할 때 리튬 이온은 전해액을 통해 이동하고,
전자는 도선을 통해 이동한다고 했는데요, 이온은 전해액으로 이동하고,
전자는 도선으로 이동하게 하는 것이 배터리에서 전기를 사용할 수 있는 가장 중요한 포인트랍니다.
만약 전자가 도선이 아니라 전해액을 통해 이동하게 되면 전기를 사용할 수 없는 것은 물론이고, 안전성까지 위협 받게 되죠.
전해액이 바로 그 역할을 수행하는 구성요소인데요,
양극과 음극 사이에서 리튬 이온을 이동할 수 있도록 하는 매개체인 셈입니다.
전해액은 리튬이온을 잘 이동시킬 수 있도록 이온 전도도가 높은 물질이 주로 사용된답니다.
전해액은 염, 용매, 첨가제로 구성되어 있습니다.
염은 리튬이온이 지나갈 수 있는 이동 통로, 용매는 염을 용해시키기 위해 사용되는 유기 액체,
첨가제는 특정 목적을 위해 소량으로 첨가되는 물질입니다.
이렇게 만들어진 전해액은 이온들만 전극으로 이동시키고, 전자는 통과하지 못하게 하는데요.
전해액의 종류에 따라 리튬이온의 움직임이 둔해지기도, 빨라지기도 합니다.
그래서 전해액은 까다로운 조건들을 만족해야만 사용 가능하죠.
▶ 양극과 음극의 절대장벽 ‘분리막’
양극과 음극이 배터리의 기본 성능을 결정한다면
전해액과 분리막은 배터리의 안전성을 결정짓는 구성요소라고 할 수 있습니다.
분리막은 양극과 음극이 서로 섞이지 않도록 물리적으로 막아주는 역할을 담당하고 있습니다.
전자가 전해액을 통해 직접 흐르지 않도록 하고, 내부의 미세한 구멍을 통해 원하는 이온만 이동할 수 있게 만들죠.
즉, 물리적인 조건과 전기 화학적인 조건을 모두 충족시킬 수 있어야 합니다.
현재 상용화된 분리막으로는 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP)와 같은 합성수지가 있습니다.
지금까지 리튬이온 배터리의 성능을 좌우하는 4대 구성요소에 대해 살펴 보았습니다.
삼성SDI는 배터리 성능 발전을 위해 신소재에 대한 연구개발을 강화하며
기존 소재의 성능 향상과 핵심 기술에 대한 지속적인 연구 개발 노력도 계속하고 있습니다.
삼성SDI는 리튬이온 배터리의 고용량·고효율 혁신을 이끌어,
우리 삶의 풍요를 가져올 미래 배터리 산업을 이끌어 나갈 계획입니다.
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)
알고 보면 재미 있는 과학 – 이차전지 이야기
안녕하십니까 김효상입니다.
우선 첫인사부터 드리겠습니다. 이번에 사내 필진 3기로 참여하게 된 전지소재팀 김효상 선임연구원입니다. 학부 대학원 포함해서 12년 간 물리공부를 하다가, GS 칼텍스라는 회사 이름 하나만 믿고 생판 처음인 이차전지라는 새로운 분야에 뛰어 들었습니다.
회사에 입사해서 이차전지 분야에 종사한지 이제 한 20개월 정도 되니 옆에 있는 팀원들이 이야기하는 걸 조금은 이해할 수 있게 되었긴 하지만 아직은 갈길이 먼 초보 이차전지 연구원입니다. 앞으로 블로그를 통해서 이차전지 관련된 이야기와 일반적인 과학과 관련된 재미있는 이야기를 많이 나눌 수 있으면 좋겠습니다.
이차전지가 뭐야?
회사에 입사하기 전 까지만 해도 저는 배터리는 장난감에 들어가는 AAA, AA 이런거랑, 시계 등에 들어가는 수은 전지랑, 방전되면 많이 곤란해지는 자동차 배터리밖에 몰랐습니다.
그래서 TV 나 언론에 이차전지 이야기가 나와도 별 관심 없었습니다. (이제는 이차전지 관련 뉴스만 나오면 귀가 솔깃해지지요).
그래서 제가 이차전지에 대해서 아무것도 몰랐던 사람 입장에서 가능한 쉽게 이차전지라는 것에 대해서 소개해 드릴까 합니다. 이차전지 좀 안다 하시는 분들은 이 글을 보시면 손발이 오그라들지도 모르겠네요.
그럼 이차전지가 무엇인지부터 시작해 볼까요?
네이보에서 이차전지라는 말을 찾아보면 위 처럼 나옵니다. ‘전기에너지’나 ‘화학에너지’처럼 어려운 말이 나오는데요. 제가 아는대로 쉽게 풀어 설명하면 아래와 같겠습니다.
이차전지의 원리
요즘 사용되고 있는 이차전지의 핵심이 되는 물질은 ‘리튬’이라는 물질입니다. 그래서 언론 같은 곳에 리튬이온전지(Li-ion battery) 라고 많이 나오지요.
리튬은 원자번호가 3번입니다. 원자번호는 지구상에 존재하는 물질을 원자의 무게 순으로 나열해 놓은 것인데 3번이라는 건 1번인 수소, 2번인 핼륨 다음으로 가볍고 작은 물질이라는 뜻입니다. 작고 가벼우니까 움직이기도 쉽고 구멍 같은걸 통과하기도 쉬워서 사용되고 있습니다.
이차전지의 원리를 간단하게 살펴보면, 이차전지가 충전되는 동안에는 양극에 있는 리튬이 음극으로 이동하게 됩니다.
이건 마치 공을 낮은 곳에서 높은 곳으로 올리듯이 자연적으로 일어나는 일이 아니라서 콘센트에 꼽아줘야 충전이 됩니다. 그리고나서 코드를 뽑고 전지를 사용하면 음극에 있던 리튬이 다시 양극 쪽으로 이동하면서 휴대폰이나 노트북 같은 것들이 동작하게 됩니다.
이차전지를 이루는 가장 기본적인 구성 요소는 양극, 음극, 분리막 전해질 입니다. 앞에서도 이야기 했듯이 양극과 음극은 리튬원자를 보관하는 물질입니다.
양극은 리튬, 금속, 산소가 결합되어 있는 형태의 물질(리튬금속산화물)로 구성되어 있습니다.
충전중에는 양극을 이루는 물질 중에서 리튬만 쏙 빠져 나와서 음극으로 옮겨 갑니다. 음극은 여러가지 소재가 있지만 최근에 많이 사용되는 음극은 천연흑연을 기본으로 이루어져 있습니다. 연필에 사용되는 그 흑연 맞습니다.
흑연은 마치 종이가 겹쳐 있는 것과 같은 구조를 이루고 있습니다. 이를 층상구조라고 하는데 양극에서 빠져 나온 리튬원자 들이 이러한 층상 구조 사이로 끼어 들게 됩니다. 이차전지를 사용할때는 반대 현상이 벌어지게 됩니다.
흑연 사이에 끼어 있던 리튬이 다시 양극으로 이동해서 다시 리튬금속산화물을 이루게 됩니다. 분리막은 이름 그대로 양극과 음극을 분리시켜 주는 역할을 합니다. 집에 있는 콘센트에 쇠 젓가락 꼽아서 연결하면 빠직하고 감전되는 것처럼 이차전지의 양극과 음극도 서로 연결되면 전지가 고장나거나 아니면 폭발이 일어나거나 하니까 양극과 음극을 서로 분리시켜 놓을 필요가 있습니다.
그러면서도 그 사이로 리튬이 지나가야 되니까 분리막은 아주 작은 구멍이 숭숭 뚫려있는 구조를 가지고 있습니다.
전해질은 리튬이 이동할 수 있도록 도와주는 용액입니다.
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.
딱 네 가지로 끝. 리튬이온 이차전지 구조와 역할!?
리튬이온이차전지 구조 역할
안녕하세요 정리남입니다^^
지난 시간에 이차전지란 충전가능한 배터리이다 라고 간단히 알아보았죠!?
이번 시간에는 ‘리튬이온 이차전지의 구조와 역할’에 대해 알아보겠습니다.
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이차전지의 구성요소 ‘네 가지’ 와 구조
이차전지의 구성요소는, 크게 ‘네 가지’로 나누어 볼 수 있습니다.
구성요소는 크게 1. 양극 2. 음극 3. 분리막 4. 전해액 으로 구성됩니다. 그리고 여기에서 조금만 더 들어가보면 각 양극과 음극의 구조는 또 다시 기재와 합제로 나뉘어 지고, 마지막으로 합제는 활물질 + 도전제 + 바인더로 구성이 됩니다. 정리하면 아래와 같은 것이죠.
이차전지 구성요소, 이차전지 구조
이 구성을 보면 다소 복잡하게 느껴지실 수 있을 텐데요.
하지만 아래와 같이 그려놓은 리튬이온 이차전지의 구조를 보시고 이미지화해서 기억해 두신다면 조금 더 쉽게 다가오실거라 생각합니다!
이차전지의 구조는 아래 그림처럼, 양극과 음극을 기준으로 이 사이에는 전해액으로 채워져 있고 전해질 가운데에는 분리막이 있는 구조로 되어 있습니다. 크게 보면 이들 네 가지 구성요소이지만 조금 더 살펴보면, 양극의 경우 파랑색 동그라미가 활물질, 그옆에 노랑색이 도전제, 그리고 표시는 안되어 있지만 활물질 사이사이에 실지렁이처럼 감겨있는 바인더가 있습니다. 음극 역시 마찬가지이죠.
이들 활물질과 도전제는 ‘가루 형태’이기 떄문에 이들로 전극을 만들어 주기 위해 알루미늄 또는 구리로 된 판(=기재)에 풀과 같은 역할을 하는 바인더를 통해 발라주게 됩니다.
리튬이온 이차전지의 구조
한편,
양극과 음극에 사용되는 활물질을 위 그림상으로는 ‘파랑색과 초록색의 동그라미’로 크게 표시했습니다만, 그 동그라미가 실제로는 여러 물질들이 결합되이 있는 어떠한 ‘결합구조’를 띄고 있습니다. 이를 표시한 게 위 그림에서 빨간색 점선으로 표시한 동그라미 입니다. 그리고 이 부분만 확대해 그려보면 아래와 같습니다. 양극 활물질은 리튬과 산소가 결합된 구조를 형성하고 있으며, 음극 활물질은 흑연들이 결합된 격자구조를 형성하고 있는 것입니다.
리튬이온 이차전지의 구조 (활물질 기준으로 확대)
** 물론, 위 구조는 제가 여러 웹사이트를 통해서 알아본 자료를 토대로 재구성해 그려놓은 것입니다. 따라서 실제와 비교하면 대략적인 구조에 불과하다는 점 참고하시길 바랍니다. 그냥 ‘대략적인 구조가 이렇나보다’라고 생각하고 계시면 될 것 같습니다.
그렇다면 이제부터 ‘리튬이온이차전지’에서 각 부분이 하는 역할에 대해 한번 알아보겠습니다!
1. 양극
배터리의 ‘용량’과 ‘전압’을 결정!
기재 + 합제(활물질 + 도전제 + 바인더)로 구성
산화물의 형태로 충전과 방전의 핵심이되는 ‘리튬원자’가 존재!
1) 배터리의 성능을 결정하는 ‘활물질(Active material)’
: 리튬이온전지의 경우, 충전과 방전에 핵심이 되는 물질로 양극에 리튬원소가 있다고 말씀드렸었는데요, 실제로는 리튬원소는 반응이 불안정해, 실제로는 산소가 결합된 리튬계열의 산화물이 사용됩니다. 이처럼 충전과 방전에 실제 반응하는 물질을 ‘활물질’이라고 합니다.
리튬이온배터리에서 활물질인 리튬산화물의 간단한 모식도
이차전지의 양극과 음극에는 이러한 활물질이 있습니다.
그런데 이 양극의 활물질이 무엇이냐에 따라 배터리의 ‘용량’과 ‘전압’이 결정됩니다. 물론, 음극의 활물에 따라서도 전압이 달라질 수 있으나, 양극이 상대적으로 활물질에 따른 전압차이가 크므로 배터리의 전압을 결정하는데 더 큰 역할을 한다고 보시면 됩니다.
배터리의 용량과 전압을 곱하면 에너지량이 산출됩니다.
이 에너지량에 따라서 어떠한 전자기기(=부하)에 연결하였을 때, 얼마나 오래 사용할 수 있을지를 결정하게 됩니다. 예컨데 에너지량이 10Wh인데, 전자기기의 소모전력이 1Wh라면 10시간을 사용할 수 있게 되는 것이죠.
즉, 이 용량과 전압이 결국 배터리를 얼마나 오래 쓸 수 있는지를 결정짓기 때문에, 이것들을 결정짓는 양극활물질이 중요한 것입니다.
2) 이온화된 전자의 전도성을 높이는 ‘도전제(Conductive Agent)’
: 활물질인 리튬산화물의 전도성을 높이는 역할을 합니다. 리튬산화물에서 이온화된 전자의 흐름을 촉진시키는 역할을 하는 것입니다. 그런데 만약 도전재의 양을 줄이고 그 만큼 활물질을 더 넣을 수 있다면, 그 만큼 더 많은 리튬산화물을 양극에 포함시킬 수 있습니다(=배터리의 용량이 증가).
3) 알루미늄 기재와 합제를 연결시키는 ‘바인더’
: ‘활물질 + 도전제는 가루형태로 존재합니다. 따라서 이들과 전극역할을 하는 알루미늄 기재를 연결시키기 위해서 일종의 접착제 역할을 하는 바인더를 섞어주는 것입니다. 위의 그림에서 바인더를 그려넣지는 않았지만 대략 아래와 같이 실지렁이들이 활물질 사이에 얽혀 얽혀있는 형태인 것으로 파악됩니다.
바인더의 형태 : 이미지출처 : http://www.sateng.co.kr/business/battery
2. 음극
충전시, 양극으로부터 이동된 이온화된 리튬이온과 전자를 ‘저장’하는 역할!
: 음극 역시 양극과 동일하게 기재와 합재의 형태로 구성되어 있습니다. 다만, 양극과 다른점은, 리튬이온 배터리에서 음극활물질은 ‘흑연(Graphite)’이 사용된다는 점입니다. 이 흑연 활물질은, 충전시 양극에서 음극으로 이동된 리튬이온과 전자가 저장되는 역할을 수행합니다. 흑연의 구조는 탄소가 결합된 형태인데, 이 탄소 6개당 한개의 리튬원자를 저장할 수 있다고 합니다. 만약에 흑연이 아니라 다른 물질을 음극활물질로 사용하여 더 많은 이온을 저장할 수 있다면 배터리의 용량을 증가 시킬 수 있게 됩니다.
한편, 음극의 활물질은 양극과 다르게 반응성이 적고, 구조적으로 안정적이며, 리튬이온을 많이 저장할 수 있는 조건, 가격 등을 고려하여 선정한다고 하네요.
흑연 구조 : 출처 : 네이버 지식백과 – 화학대사전 ‘흑연구조’
3. 분리막
전자를 빼고 리튬 이온만 통과시켜주는 필터역할을 함과 동시에
양극과 음극이 섞이지 않도록 하는 안전장치!
: 분리막 전해액과 함께 배터리의 ‘안전성’에 중요한 역할을 수행합니다. 충전이나 방전을 할 때, 양극과 음극의 직접적인 접촉을 차단하면서 리튬이온만 통과시켜주는 필터역할을 하기 때문입니다. 예컨데 만약 분리막이 없어 리튬이온과 전자가 한꺼번에 이동된다면 반응이 기하급수적으로 늘면서 열을 발생시키고 이것이 폭발로 이어질 수 있습니다. 또한 전위가 서로다른 양극과 음극이 섞인다면 이것이 결국 ‘합선’인 것이고(=저항이 0인 상태에서 대단히 큰 전류가 흐름) 열발생에 의한 폭발로 이어질 수 있습니다.
실제로 화재나 폭발의 대부분의 경우는 이 분리막에 문제가 생겨 양극과 음극의 물질이 서로 뒤 섞여 화학반응을 일으키는 경우라고 합니다.
4. 전해액
전자의 이동을 막는 안전장치!
리튬이온이 전극 사이를 오갈 수 있게 하는 매개체 역할
이온의 이동을 촉진시켜 전도성을 높이는 촉매 역할
**먼저, 전해액과 이온에 대해 알아보자!
: 이온은, (+)와 (-)가 균형을 이루어 중성을 띄고 있던 원자가 ‘전자’를 잃어 (+)상태가 되거나, 전자를 얻어 (-)상태가 된 것을 말합니다. 중성인 원자가 전자를 얻게 되어 (-)전하를 띄면 ‘음이온’, 전자를 잃게되어 (+)전하를 띄면 ‘양이온’이라 합니다. ‘전해액’은 이러한 이온이 들어있는 액체입니다.
양이온과 음이온
소금(NaCl)을 물에 녹이면 Na+와 Cl-로 분리됩니다. 이 소금물 상태가 바로 전해질입니다. Na+라는 양이온과 Cl-라는 음이온이 액체속에 녹아 들어있기 때문입니다. 이렇게 이온은 (+) 또는 (-)의 ‘극성’을 띄기 때문에 이 소금물(=전해액)에 전류를 흘려주면 양이온인 Na+는 (-)극에, 음이온인 Cl-는 (+)극에 달라붙습니다.
방금 말한 것과 같이 ‘이온은 (+) 또는 (-)의 극성을 띈다’ 라는 관점에서 봤을때,
‘충전 중’에 양이온화된 리튬이온은, 이 전해액을 통해 배터리 내부의 전체 균형을 맞춰주기 위해 (+)극에서 (-)극으로 이동하게 됩니다. 방전시에는 반대로 이동하게 되죠. 즉 충전과 방전시, 두 전극 사이를 오가야 하는 리튬양온의 ‘이동매개체’가 되는 것입니다.
이 전해액은 전자에 대한 전도성이 없기 때문에 분리막과 함께 전자의 이동은 허용하지 않습니다. 덕분에 전자는 도선을 통해, 리튬양이온만 전해액을 통해 흐르면서 배터리의 과반응에 의한 위험성을 낮춰주는 역할을 하게 되는 것이죠. 또한, 상대적으로 전자의 이동속도보다 느린 리튬양이온의 이동을 빠르게 하는 촉매역할을 하기도 합니다.
정리
나름 어렵지 않게 납득이되는 정리를 해보려 했는데 조금 길어진것 같습니다.
혹시 잘못된 내용이 있다면 알려주시면 확인하여 수정하겠습니다 ^^
아래와 같이 요악하며, 다음 포스팅은 배터리의 용량과 에너지에 대해 간단히 정리하고, 그 다음에 ‘이차전지의 원리’ 포스팅으로 넘어가도록 하겠습니다.
-. 이차전지는 크게 양극/음극/전해액/분리막 네가지로 구성된다.
-. 양극과 음극에는 실제 충전과 방전에서 산화-환원 반응에 참여하는 활물질이 존재한다.
리튬이온이차배터리에서 양극활물질로는 리튬계산화물이, 음극활물질은 흑연이 사용된다.
-. 양극은 배터리의 용량과 전압을 결정한다.
전압과 용량을 곱하면 에너지양이 되고 이것을 부하에 연결하였을때 얼마나 오래 사용할 수 있을지 결정된다.
-. 음극은 양극에서 이동된 리튬이온과 전자를 ‘저장’하는 역할을 한다.
흑연은 탄소구조로 탄소 6개당 한개의 리튬원자를 저장할 수 있다.
만약 흑연이 아니라 더 좋은 많이 저장할 수 있는 활물질을 사용한다면 배터리 용량이 증가될 것이다. (이는 양극도 마찬가지!)
-. 도전재는 양극과 음극에서 이온화된 전자의 이동속도(=전도성)를 높여주는 보조제이다.
-. 바인더는 가루형태의 합제를 양 극판(=기재)에 붙여주는 접착제 역할을 한다.
-. 분리막과 전해액은 모두 반응성이 큰 리튬전지의 ‘안전성’ 역할에 일조한다.
-. 분리막은 리튬이온만 이동시킬 수 있게 하며 리튬이온의 이동 매개체는 전해액이다.
또한 양극과 음극의 단락(=쇼트)을 막아준다
-. 전해액은 전자에 대한 전도성이 없으므로 역시 안전성에 도움을 준다.
또한 상대적으로 전자보다 느린 리튬양이온의 이동속도를 촉진시켜주는 촉매역할도 한다.
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출처
1. https://www.samsungsdi.co.kr/column/technology/detail/56402.html?listType=gallery
2. http://it.chosun.com/site/data/html_dir/2016/09/30/2016093085003.html
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4. http://study.zum.com/book/13414
5. https://medium.com/@youngji/%EC%A0%84%EC%A7%80-battery-%EC%9D%98-%EC%9B%90%EB%A6%AC-c209edc1ee53
6. https://www.industrynews.co.kr/news/articleView.html?idxno=34056
7. https://www.samsungsdi.co.kr/column/all/detail/55269.html
8. https://2sideline.tistory.com/entry/NaS-%EC%A0%84%EC%A7%80-%EB%82%98%ED%8A%B8%EB%A5%A8-%ED%99%A9-%EC%A0%84%EC%A7%80-%EC%A0%95%EC%9D%98-%EB%B0%8F-%EC%8B%9C%EC%9E%A5
9. https://blog.naver.com/tjdxor159/222038098431
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