6초 리튬 배터리 용량의 이유는 이해하기 위한 공식입니다!

6s lithium battery는 니켈-카드뮴 및 니켈-수소 배터리 다음으로 가장 빠르게 성장하는 2차 전지입니다. 그 고에너지 특성은 미래가 밝음을 보여줍니다. 그러나 6s lithium battery는 완벽하지 않으며, 가장 큰 문제는 충방전 사이클의 안정성입니다. 본 논문은 6s lithium battery의 용량 감소 가능 원인인 과충전을 요약하고 분석합니다.

6s 리튬 배터리 용량 균형

6s 리튬 배터리는 두 전극 사이에서 삽입 반응이 일어날 때 서로 다른 삽입 에너지를 가지며, 배터리의 최적 성능을 얻기 위해서는 두 호스트 전극의 용량 비율이 균형 잡힌 값을 유지해야 합니다.
6s 리튬 배터리에서 용량 균형은 양극과 음극의 질량 비율로 표현되며, 즉: γ=m+/m-=ΔxC-/ΔyC+
위 공식에서 C는 6s 리튬 배터리 전극의 이론적 쿨롱 용량을 나타내며, Δx와 Δy는 각각 리튬 전극의 음극과 양극에 삽입된 리튬 이온의 화학양론적 수를 나타냅니다. 위 공식에서 알 수 있듯이, 두 극의 필요한 질량 비율은 두 극의 해당 쿨롱 용량과 각각의 가역 리튬 이온 수에 따라 달라집니다.

6s 리튬 배터리 용량 불균형 영향

일반적으로 질량 비율이 작으면 음극 재료의 활용이 불완전해지고, 질량 비율이 크면 음극 과충전으로 인한 안전 위험이 발생할 수 있습니다. 요컨대, 최적화된 질량 비율에서 6s 리튬 배터리의 전극 성능이 가장 우수합니다.
이상적인 리튬 이온 배터리 시스템에서는 사이클 동안 용량 균형이 변하지 않고 각 사이클의 초기 용량이 일정하지만, 실제 상황은 훨씬 복잡합니다. 리튬 이온이나 전자를 생성하거나 소모할 수 있는 모든 부반응은 6s 리튬 배터리의 용량 균형 변화를 초래할 수 있습니다. 6s 리튬 배터리의 용량 균형 상태가 변하면 그 변화는 되돌릴 수 없으며 여러 사이클을 통해 누적됩니다. 이는 6s 리튬 배터리의 성능에 심각한 영향을 미칩니다. 6s 리튬 배터리에서는 리튬 이온이 탈삽입될 때 발생하는 산화환원 반응 외에도 전해질 분해, 활성 물질 용해, 금속 리튬 침착과 같은 많은 부반응이 존재합니다.

6s 리튬 배터리 용량 불균형 원인: 과충전

1. 흑연 음극의 과충전 반응:
배터리가 과충전되면 리튬 이온이 쉽게 환원되어 음극 표면에 침착됩니다:
침착된 리튬이 음극 표면을 코팅하여 리튬의 삽입을 차단합니다. 이로 인해 방전 효율이 감소하고 다음과 같은 이유로 용량 손실이 발생합니다:

① 재활용 가능한 리튬의 양을 줄입니다;
② 침착된 금속 리튬은 용매 또는 지지 전해질과 반응하여 Li2CO3, LiF 또는 기타 생성물을 형성합니다;
③ 금속 리튬은 보통 음극과 분리막 사이에 형성되며, 이는 분리막의 기공을 막아 배터리 내부 저항을 증가시킬 수 있습니다;

④ 리튬은 매우 활성이 높아 전해질과 쉽게 반응하여 전해질을 소모하고, 이로 인해 방전 효율이 감소하고 용량 손실이 발생합니다.
고속 충전 시 전류 밀도가 너무 커서 음극이 심하게 분극되고 리튬 침착이 더 뚜렷해집니다. 이는 양극 활성 물질이 음극 활성 물질에 비해 과도할 때 발생하기 쉽습니다. 그러나 고속 충전의 경우 양극과 음극 활성 물질 비율이 정상이어도 금속 리튬 침착이 발생할 수 있습니다.

2. 양극 과충전 반응
양극 활성 물질과 음극 활성 물질의 비율이 너무 낮으면 양극 과충전이 발생하기 쉽습니다
양극의 과충전으로 인한 용량 손실은 주로 전기화학적으로 비활성 물질(예: [Co3O4＋O2(g)], Mn2O3 등)의 생성에 기인하며, 이는 전극 간 용량 균형을 파괴하고 용량 손실은 되돌릴 수 없습니다.
(1) LiyCoO2
LiyCoO2→(1-y)/3[Co3O4＋O2(g)]＋yLiCoO2 y<0.4
동시에 밀폐된 6s 리튬 배터리에서 양극 재료 분해로 생성된 산소는 재결합 반응(예: H2O 생성)이 없기 때문에 축적되며, 전해질 분해로 생성된 가연성 가스와 함께 상상할 수 없는 결과를 초래할 수 있습니다.
(2) λ-MnO2
리튬-망간 산화물이 완전히 탈리튬될 때 리튬-망간 반응이 발생합니다: λ-MnO2→Mn2O3+O2(g)

3. 과충전 시 전해질 산화
압력이 4.5V 이상일 때, 전해질은 산화되어 불용성 물질(예: Li2Co3)과 가스를 생성합니다. 이 불용성 물질은 전극의 미세공을 막아 리튬 이온의 이동을 방해하여 사이클 중 용량 손실을 초래합니다.
산화 속도에 영향을 미치는 요인:
양극 재료의 표면적
전류 집전체 재료
첨가된 전도성 첨가제(카본 블랙 등)
카본 블랙의 종류 및 표면적
더 일반적으로 사용되는 전해질 중에서 EC/DMC가 가장 높은 산화 저항성을 가진 것으로 간주됩니다. 용액의 전기화학적 산화 과정은 일반적으로 다음과 같이 표현됩니다: 용액→산화 생성물(기체, 용액 및 고체)+ne-

어떤 용매의 산화도 전해질 농도를 증가시키고 전해질 안정성을 감소시키며 궁극적으로 배터리 용량에 영향을 미칩니다. 충전할 때마다 소량의 전해질이 소모된다고 가정하면, 배터리 조립 시 더 많은 전해질이 필요합니다. 일정한 용기에서는 이는 활성 물질의 적재량이 줄어들어 초기 용량 감소로 이어집니다. 또한 고체 생성물이 형성되면 전극 표면에 수동화막이 형성되어 배터리의 분극이 증가하고 배터리 출력 전압이 감소합니다.

위 내용은 오늘 소개해드린 6s 리튬 배터리의 용량 균형에 관한 전체 내용입니다. 6s 리튬 배터리는 두 전극 사이에서 삽입 반응이 일어날 때 서로 다른 삽입 에너지를 가지며, 배터리의 최적 성능을 얻기 위해 두 호스트 전극은 서로 다른 삽입 에너지를 가져야 합니다. 용량 비율은 균형 잡힌 값으로 유지되어야 하며; 질량 비율이 작으면 음극 재료의 완전한 활용이 어렵고; 질량 비율이 크면 음극의 과충전으로 인해 안전 위험이 발생할 수 있습니다. 최적화된 질량 비율에서 6s 리튬 배터리의 전극 성능이 가장 우수하며; 6s 리튬 배터리 용량 불균형의 주요 원인은 과충전입니다.
오늘의 내용이 여러분께 도움이 되길 바라며, 더 많은 정보가 지속적으로 업데이트될 예정입니다. 다음 호에서 뵙겠습니다.