리튬 배터리의 개발 및 구조

리튬 배터리는 20세기에 성공적으로 개발된 새로운 유형의 고에너지 배터리입니다. "탄소 중립"과 "탄소 정점"의 제안과 함께, 리튬 배터리는 각계각층의 주목을 받게 되었습니다. 오늘 CHNL이 리튬 배터리의 개발과 구조를 이해하는 데 도움을 드리겠습니다.

리튬 배터리 소개

리튬 배터리는 리튬 원소(금속 리튬, 리튬 합금, 리튬 이온, 리튬 폴리머 포함)를 포함하는 배터리로 이해할 수 있으며, 리튬 금속 배터리(매우 드물게 생산 및 사용)와 리튬 이온 배터리(오늘날 많이 사용됨)로 나눌 수 있습니다. 높은 비에너지, 높은 배터리 전압, 넓은 작동 온도 범위, 긴 저장 수명 덕분에 군사 및 민간 소형 전기 기기, 예를 들어 휴대폰, 휴대용 컴퓨터, 비디오 카메라, 카메라 등에 널리 사용되어 전통적인 배터리를 부분적으로 대체하고 있습니다.

리튬 배터리의 기원과 발전

1970년대에 Exxon의 M.S. Whittingham은 티타늄 설파이드를 양극 재료로, 금속 리튬을 음극 재료로 사용하여 최초의 리튬 배터리를 만들었습니다.
1980년, J. Goodenough는 리튬 코발트 산화물이 리튬 배터리의 양극 재료로 사용될 수 있음을 발견했습니다.

1982년, 일리노이 공과대학(Illinois Institute of Technology)의 R.R.Agarwal과 J.R.Selman은 리튬 이온이 흑연에 삽입되는 특성을 가지고 있으며, 이 과정이 빠르고 가역적임을 발견했습니다. 동시에 금속 리튬으로 만든 리튬 배터리의 안전 위험이 크게 주목받았습니다. 따라서 사람들은 흑연에 삽입되는 리튬 이온의 특성을 이용해 충전식 배터리를 만들려고 시도했습니다. 최초의 사용 가능한 리튬 이온 흑연 전극은 벨 연구소에서 성공적으로 시제품이 제작되었습니다.

1983년, M. Thackeray, J. Goodenough 등은 망간 스피넬이 우수한 양극 재료임을 발견했으며, 가격이 저렴하고 안정적이며 우수한 전도성과 리튬 전도성을 가지고 있습니다. 분해 온도가 높고 산화성은 리튬 코발트 산화물보다 훨씬 낮아 단락이나 과충전 시에도 화재 및 폭발 위험을 피할 수 있습니다.
1991년, 소니는 최초의 상업용 리튬 배터리를 출시했습니다. 이후 리튬 배터리는 소비자 전자제품의 판도를 혁신했습니다.

1996년, Padhi와 Goodenough는 리튬 인산철(LiFePO4)과 같은 올리빈 구조의 인산염이 전통적인 양극 재료보다 우수하다는 것을 발견하여 현재 주류 양극 재료가 되었습니다.
리튬 이온 배터리(Li-ion Batteries)는 리튬 배터리에서 발전한 것입니다. 따라서 Li-ion을 소개하기 전에 먼저 리튬 배터리를 소개하겠습니다. 예를 들어, 버튼 셀 배터리는 리튬 배터리입니다. 리튬 배터리의 양극 재료는 이산화 망간 또는 티오닐 클로라이드이고, 음극은 리튬입니다. 배터리가 조립된 후에는 전압이 있으며 충전할 필요가 없습니다. 이 배터리는 충전도 가능하지만 사이클 성능이 좋지 않습니다. 충방전 사이클 동안 리튬 덴드라이트가 쉽게 형성되어 배터리 내부 단락을 일으키므로 일반적으로 이 배터리는 충전이 금지됩니다.

이후 일본 소니사는 음극에 탄소 재료를, 양극에 리튬 함유 화합물을 사용하는 리튬 배터리를 발명했습니다. 충방전 과정에서 금속 리튬이 없고 리튬 이온만 존재합니다. 이것이 리튬 이온 배터리입니다.
1990년대 초, 일본 소니 에너지 개발 회사와 캐나다 Moli Energy 회사는 성능이 우수하고 환경 오염이 없는 새로운 리튬 이온 배터리를 성공적으로 개발했습니다. 정보 기술, 휴대용 기기 및 전기차의 급속한 발전과 함께 고효율 전원에 대한 수요가 급증하여 리튬 배터리는 가장 빠르게 성장하는 분야 중 하나가 되었습니다.

리튬 배터리의 구조

리튬 배터리의 주요 구성 요소:
(1) 양극 - 활성 재료는 주로 리튬 코발트 산화물, 리튬 망간산염, 리튬 인산철, 리튬 니켈산염, 리튬 니켈 코발트 망간산염 등이 있으며, 전도성 전류 집전기는 일반적으로 두께 10~20 마이크론의 알루미늄 호일을 사용합니다;
(2) 분리막 - 리튬 이온은 통과시키지만 전자는 차단하는 특수 플라스틱 필름입니다. 현재 주로 PE와 PP 및 이들의 조합이 사용됩니다. 또한 알루미나 코팅과 같은 무기 고체 분리막도 있습니다;

(3) 음극 - 활성 재료는 주로 흑연, 리튬 티타네이트 또는 흑연 구조와 유사한 탄소 재료이며, 전도성 전류 집전기는 일반적으로 두께 7~15 마이크론의 구리 호일을 사용합니다;
(4) 전해질 - 일반적으로 유기계이며, 리튬 헥사플루오로포스페이트가 용해된 탄산염 용매이며, 일부 폴리머 배터리는 겔 전해질을 사용합니다;
(5) 배터리 케이스 - 주로 하드 케이스(강철 케이스, 알루미늄 케이스, 니켈 도금 철 케이스 등)와 소프트 케이스(알루미늄-플라스틱 필름) 두 가지 유형으로 나뉩니다.

배터리가 충전될 때 리튬 이온은 양극에서 탈삽입되어 음극에 삽입되고, 방전 시에는 반대 과정이 일어납니다. 이를 위해 조립 전에 전극이 리튬 삽입 상태여야 합니다. 일반적으로 리튬에 대해 3V 이상의 전위를 가지며 공기 중에서 안정한 리튬 삽입 전이 금속 산화물이 양극으로 선택되며, 예를 들어 LiCoO2, LiNiO2, LiMn2O4 등이 있습니다.
음극 재료로는 리튬 전위에 최대한 근접한 삽입 가능한 리튬 화합물이 선택되며, 천연 흑연, 합성 흑연, 탄소 섬유, 메조페이즈 구상 탄소 등 다양한 탄소 재료와 SnO, SnO2, SnBxPyOz (x=0.4～0.6, y=0.6～0.4, z=(2+3x+5y)/2) 등의 금속 산화물이 포함됩니다.
전해질은 LiPF6 에틸렌 카보네이트(EC), 프로필렌 카보네이트(PC), 저점도 디에틸 카보네이트(DEC) 및 기타 알킬 카보네이트의 혼합 용매 시스템을 사용합니다.

분리막은 PE, PP 또는 이들의 복합 필름과 같은 폴리올레핀 미세공 필름을 사용하며, 특히 PP/PE/PP 3층 분리막은 낮은 융점과 높은 천공 저항성을 가져 열 안전 역할을 합니다.
외피는 강철 또는 알루미늄으로 만들어지며, 덮개 조립체는 폭발 방지 및 전원 차단 기능을 갖추고 있습니다.
자, 오늘은 여기까지 리튬 배터리에 대해 알아보았습니다. 1970년 리튬 배터리가 탄생한 이후 빠르게 발전해 왔으며, 리튬 배터리는 우리 생활의 모든 측면에 침투했으며 앞으로도 거대한 발전 가능성이 있습니다.
위 내용이 도움이 되길 바라며, 더 많은 정보가 지속적으로 업데이트될 예정입니다. 다음 호에서 뵙겠습니다.