▣ 리튬 이온 전지(-電池, Lithium-ion battery, Li-ion battery) ?
리튬 이온 전지는 미국 뉴욕 빙엄턴 대학교의 스탠리 휘팅엄 교수와 엑슨에 의해 1970년대에 처음 제안되었다.
휘팅엄 교수는 이황화티탄을 양극으로, 금속 리튬을 음극으로 사용하였다.
이차전지의 일종으로 방전 과정에서 리튬 이온이 음극에서 양극으로 이동하는 전지이다.
충전시에는 리튬 이온이 양극에서 음극으로 다시 이동하여 제자리를 찾게 된다.
리튬 이온 전지는 충전 및 재사용이 불가능한 일차 전지인 리튬 전지와는 다르며,
전해질로서 고체 폴리머를 이용하는 리튬 이온 폴리머 전지와도 다르다.
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▣ 리튬 이온 배터리는 ??
이차전지의 일종으로
스마트폰, 태블릿, 노트북, 전기 자동차 등에 사용됩니다.
리튬 이온 배터리는 화학적 특성과 제조 공정으로 인해 수명이 길고 내구성이 뛰어나며, 에너지 밀도가 높습니다.
■ 리튬 이온 배터리 충전시에는?
리튬 이온이 양극에서 음극으로 다시 이동하여 제자리를 찾게 된다. 리튬 이온 전지는 충전 및 재사용이 불가능한 일차 전지인 리튬 전지와는 다르며, 전해질로서 고체 폴리머를 이용하는 리튬 이온 폴리머 전지와도 다르다.
■ 리튬 이온 배터리의 주요 특징:
▶ 리튬 이온 배터리는 현대 전자기기에서 널리 사용되는 충전식 배터리 유형 중 하나입니다.
▶ 리튬 이온 배터리는 스마트폰, 노트북, 전기차 등에서 사용되며,
▶ 리튬을 화학적 반응의 중심으로 사용하여 전기를 저장하고 방출하는 방식입니다.
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리튬 이온 배터리의 주요 특징 |
| 1. 고에너지 밀도: 상대적으로 작은 크기와 가벼운 무게로 많은 에너지를 저장할 수 있습니다. |
| 2. 긴 수명: 충전과 방전이 반복되는 동안 성능 저하가 적습니다. |
| 3. 충전 속도: 대부분 다른 배터리보다 더 빠르게 충전이 가능합니다. |
| 4. 안전성: 과충전이나 과방전, 고온 환경에서는 위험할 수 있어 안전장치가 중요합니다. |
| 5. 기전력이 크고 자가 방전이 적습니다, |
| 6. 관리가 쉽습니다, |
| 7. 긴 수명과 긴 사이클 수명을 제공합니다. 기억 효과가 없습니다. |
| 8. 사용하지 않을 때에도 자가방전이 일어나는 정도가 작기 때문에 시중의 휴대용 전자 기기들에 많이 사용되고 있습니다. |
▶ 이 외에도 에너지밀도가 높은 특성을 이용하여 방산업이나 자동화시스템, 그리고 항공산업 분야에서도 점점 그 사용 빈도가 증가하는 추세입니다.
▶ 리튬 이온 배터리는 환경에 미치는 영향도 고려해야 하며, 사용 후 재활용이 필요할 수 있습니다. 최근에는 더 안전하고 효율적인 리튬 이온 배터리 기술 개발이 진행 중입니다.
▣ 리튬이온배터리의 구조와 작동 원리
리튬이온배터리는 리튬 이온이 양극재와 음극재 사이를 이동하는 화학적 반응을 통해 전기를 만들어냅니다.
양극의 리튬 이온이 음극으로 이동하며 배터리가 충전되고 음극의 리튬 이온이 양극으로 돌아가며 에너지를 방출, 방전되는 것입니다.
이때 양극과 음극 사이에서 리튬 이온의 이동통로 역할을 해주는 전해질과 양극과 음극이 서로 닿지 않게 해주는 분리막이 필요한데, 일반적으로 리튬이온배터리의 4가지 구성 요소라고 하면 이 양극재, 음극재, 전해질, 분리막을 말합니다.
리튬이온배터리는 주로 휴대전화, 노트북, 전기차 등에서 사용되는 충전식 배터리입니다.
그 구조와 작동 원리를 간단히 설명드리면 다음과 같습니다.
▣ 리튬이온배터리의 구성요소
리튬이온배터리는 크게 양극(+), 음극(-), 전해질, 분리막으로 이루어져 있습니다.
1. 양극(+): 보통 리튬금속산화물(LiCoO₂, LiFePO₄ 등)로 만들어지며, 리튬 이온이 이곳에서 방출됩니다.
2. 음극(-): 주로 흑연(C)으로 만들어집니다. 이곳에서는 리튬 이온이 저장됩니다.
3. 전해질: 리튬이온이 양극과 음극 사이를 이동할 수 있도록 도와주는 물질로, 보통 리튬염(LiPF₆ 등)이 포함된 유기용매로 구성됩니다.
4. 분리막: 양극과 음극을 분리하여 서로 직접 닿지 않도록 하며, 전해질을 통해 이온만 통과하도록 합니다.
▣ 리튬 이온 배터리 작동 원리:
리튬이온배터리의 작동 원리는 이온의 이동에 기반한 화학적 반응입니다.
산화, 환원반응으로 충방전 되는 2차전지
- 방전: 배터리가 사용될 때, 양극에서 리튬 이온이 분리되어 전해질을 통해 음극으로 이동합니다. 이때 전자가 외부 회로를 통해 음극으로 흐르며 전기가 생성됩니다.
- 충전: 반대로 충전 시에는 전원에서 전자가 음극으로 이동하면서 리튬 이온이 음극에 저장됩니다. 이온은 다시 전해질을 통해 양극으로 이동합니다.
- 충전 시 양극의 리튬 이온이 음극으로 이동합니다
- 방전 시 음극의 리튬 이온이 양극으로 돌아갑니다
현재 배터리의 주류로 자리 잡은 리튬이온배터리는 ?
1) 4가지 요소로 구성 : 양극재, 음극재, 전해액, 분리막
2) 양극(+)과 음극(-) 물질의 ‘산화환원 반응’으로 화학에너지를 전기에너지로 변환시키는 일종의 장치다.
3) 리튬 이온이 양극재와 음극재 사이를 이동하는 화학적 반응을 통해 전기를 만들어냅니다.
▣ 리튬 이온 배터리 핵심 원리:
양극의 리튬 이온이 음극으로 이동하면 배터리가 충전되고,
반대로 음극의 리튬 이온이 양극으로 돌아가면 배터리가 방전되는 원리다.
리튬 이온 배터리는 충격, 낙하, 눌림 등으로 인해 기계적인 손상을 입거나,
과충전, 과방전, 단락 등으로 인해 전기적인 결함이 발생할 수 있습니다.
■ 리튬 이온 전지의 용량
▶ mAh(밀리암페어시) 또는 Ah(암페어시)로 표시,
▶ 휴대폰에 사용하는 전지 : 3000~4000mAh가 가장 많이 쓰이며,
▶ 스마트폰에 사용하는 전지 : 1500~5000mAh도 사용된다.
▶ 노트북에 사용되는 전지 : 2400~5500mAh가 가장 많이 사용된다.
▣ 리튬 이온 전지 활용분야
리튬 이온 배터리는 스마트폰, 태블릿, 노트북 등 전자 기기와 전기 자동차, 주택용 태양광 발전 시스템 등에 사용됩니다.
리튬 이온 배터리의 활용분야는 다음과 같습니다.
ⓐ 스마트폰, 태블릿, 노트북, 무선 이어폰 등 전자 기기
ⓑ 전기 자동차, 하이브리드 자동차 등 차량 탑재용 배터리
ⓒ 주택용 태양광 발전, 연료 전지의 축전 시스템
ⓓ 전기 자전거
ⓔ 잠수함, 우주복 등
▣ 리튬 이온 전지의 장점과 단점
리튬 이온 배터리는 다른 유형의 배터리보다 수명이 길고 내구성이 뛰어나며, 잦은 충전-방전 주기를 견딜 수 있습니다.
♥ 리튬 이온 배터리의 주요 장점
1. 재충전 가능: 리튬 이온 배터리는 방전 후 재충전이 가능하여 환경에 덜 해롭고 장기적으로 적은 폐기물을 생성합니다.
2. 높은 C-레이트: 고전력 응용 분야에서 사용되는 리튬 이온 배터리는 일차 배터리보다
우수한 전력 출력 능력을 가집니다.
3. 셀 전압 : 3-5볼트의 높은 운영 전압으로, 더 낮은 전류로 동등한 전력을 운영할 수 있어 단일 충전으로 더 오래 사용할 수 있습니다.
4. 높은 에너지 밀도: 가볍고 컴팩트한 리튬 이온 배터리는 NCA가 180~200mAh/g, LiCoO2가 148mAh/g, LiFePO4가 165mAh/g, NMC 333이 170mAh/g의 용량을 가집니다.
5. 메모리 효과없음 : NiCd 및 오래된 NiMH 배터리와 달리, 리튬 이온 배터리는 메모리 효과가 없으며 최대 5년까지 선반 수명이 길다고 합니다.
6. 낮은 자기 방전 : 리튬 이온 충전식 배터리는 월 1.5-2%의 자기 방전률을 가지며, 오래된 충전식 배터리보다 더 천천히 방전됩니다.
7. 경량 컴팩트 : 더 매끄럽고 공기 역학적인 디자인을 가능하게 합니다. 본질적으로 리튬 이온 배터리는 작고 가벼운 패키지로 고성능을 제공하므로 현대적 이고 효율적인 디자인에 적합한 선택입니다.
♥ 리튬 이온 배터리의 단점
1.배터리 가격 : 충전식 배터리는 초기 비용이 높아 구매 결정에 큰 영향을 미칩니다.
2. 자기 방전 : 낮은 방전 응용에서 서비스 수명이 중요하며, 리튬 이온 배터리의 자기 방전 특성은
주요 에너지 원으로 사용하기에 적합하지 않을 수 있습니다.
3. 전자 배터리 관리 시스템 필요 : 과 충전 및 심방전 보호를 위해 모니터링 전자 장치가
필요합니다.
4. 열 관리 시스템 필요 : 충전 또는 방전 시 발생하는 열을 관리하기 위해 대형 배터리 팩에는
보통 열 관리 시스템이 장착됩니다.
5. 노화 : 리튬 이온 배터리는 노화 현상을 겪으며, 이는 시간 및 충전-방전 주기에 의존합니다.
6. 높은 비용 : 리튬 이온 배터리는 제조 비용이 NiMH 배터리보다 약 40% 더 높습니다.