2차전지 산업 공부 #3 - 리튬이온배터리#1

• 아래는 현재 작성 중인 기업 분석 연습 및 개인의 공부 목적으로 작성 중인 보고서의 일부분이며 매주/매도 추천이 아님을 밝힙니다.
• 비전공자이기 때문에 내용이 정확하지 않을 수 있습니다.

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지난번 2차전지의 기본적인 동작원리를 공부한 것에 이어서 리튬이온배터리에 대해서 공부하였다. 

 

 

https://20200818.tistory.com/23?category=884100 

2차전지 산업 공부 #2 - 2차전지 동작원리

리튬이온 배터리

 

화학 반응을 기반으로 2차전지 동작원리를 설명한 예제에선 리튬(Li) 금속을 음극에 사용한 형태의 배터리로 설명을 하였다. 배터리의 동작을 위해선 리튬이 음극에 존재하고 리튬 이온과 전자가 양극으로 이동을 해야 하지만 실제 리튬 금속을 음극 물질로 사용하게 되면 배터리가 폭발을 일으키는 문제가 있다. 이 문제를 해결한 것이 현재의 리튬이온배터리의 구조이다.

 

음극에 직접 리튬 금속을 사용할 수 없기 때문에 양극 고체 물질처럼 리튬이온을 고체 물질 속에 담을 수 있는 음극 물질이 개발되었다. 최초 흑연 성분의 석유 코크스를 음극으로 사용하였고 이후 리튬 이온을 함침(물체 안에 침투하게 하여 그 물체의 특성을 사용 목적에 따라 개선하는 것) 할 수 있는 다양한 탄소계 음극 물질이 개발되고 사용되고 있다. 음극 물질로 가장 많이 사용되고 있는 물질이 흑연(C6, graphite)이며 구조는 아래와 같다.

출처 : 위키백과

이 때문에 보통 양극와 음극이 모두 나와있는 리튬이온 배터리 그림에서 음극이 모두 육각형 모양이며 리튬이온은 흑연의 각 층 사이에 저장된다.

 

초기상태의 음극 물질 (e.g. 흑연 등)에는 리튬이 없기 때문에 리튬을 함침하고 있는 양극 물질을 사용하여야 한다. 순수한 리튬이 아닌 리튬을 함침하고 있는 양극 물질을 사용해야 하는 이유는 리튬은 높은 반응력 때문에 자연 내에서도 순수한 형태로 발견하기가 무척 힘들며 화합물의 형태로 존재한다. 양극 물질은 리튬금속산화물(LiMO2, M은 금속(Metal))을 사용하며 모바일 전자기기에 사용되는 배터리의 대부분은 리튬코발트산화물(LiCoO2)이다.

출처 : 동아사이언스 - 동아사이언스 - [강석기의 과학카페] 배터리 핵심소재 리튬 vs 코발트, 누가 더 귀한 몸?

(충전된 상태) LiC6(음극) + CoO2(양극) ⇆ C6(음극) + LiCoO2(양극) (방전된 상태)

양극(Cathoe) : CoO2 + Li+ + e- → LiCoO2

음극(Anode) : LiC6 → 6C + Li+ + e-

 

충전된 상태는 음극에 리튬이온과 전자가 저장되어있으므로 음극에 리튬이 있는 LiC6, 양극에는 리튬이 없는 CoO2이며 배터리 사용 시(방전 시)에는 전자는 외부 도선을 통해서 리튬이온은 전해액을 통해서 양극으로 이동하여 양극에는 리튬산화물의 형태인 LiCoO2로 양극에는 흑연(C6)의 형태로 존재한다.

 

코발트 사용 이후 고용량 리튬이온배터리를 위하여 소재 개발이 활발히 진행되었고 리튬금속산화물에 니켈(Ni), 코발트(Co), 알루미늄(AI), 망간(Mn) 등이 적절한 비율로 혼합된 NCA(니켈, 코발트, 알루미늄), NCM(니켈, 코발트, 망간) 양극 소재가 개발되었고 전가차용 리튬이온배터리에 사용되고 있다.

 

리튬이온배터리를 최초로 상용화한 소니는 리튬이 원자가 아니라 이온으로 존재하고 리튬이온이 양극과 음극을 오가는 형태로 구성되었기 때문이 이를 리튬전지라 부르지 않고 리튬이온전지로 부르게 되었다. 또한 리튬이온이 양극과 음극을 왔다 갔다 하기 때문에 그네 전지(swing battery) 또는 흔들의자 원리(rocking에 의한 전지라고 하기도 한다.

 

To be continued

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