리튬이온 배터리의 구성
리튬이온 배터리, 또는 Li-ion 배터리는 충전이 가능한 2차 전지의 한 종류로, 리튬 이온이 방전 시 음극에서 전해질을 통해 양극으로, 충전 시에는 그 반대로 이동합니다. 이러한 리튬이온 배터리는 다양한 화학적 성질, 성능, 비용 및 안전 특성을 가지며, 휴대 전자기기에 주로 사용되는 리튬 폴리머 배터리는 고에너지 밀도를 제공합니다.
리튬이온 배터리와 리튬 폴리머 배터리의 차이
리튬이온 폴리머(LiPo) 배터리는 전해질로 고도의 전도성을 지닌 젤 폴리머를 사용하는 Li-ion 배터리의 한 유형입니다. Li-ion과 Li-pol의 주요 차이점은 Li-pol이 액체 리튬염 전해질(예: LiPF6) 대신 고체 폴리머 전해질(SPE)을 사용한다는 것입니다. LiPo는 다른 리튬 배터리보다 높은 비에너지를 제공하며, 휴대기기, 드론 및 일부 전기차량에서 중요한 요소인 무게를 줄이는 데에 종종 사용됩니다.
리튬이온 배터리의 구성 요소
일반적인 리튬이온 전지는 다음과 같은 구성 요소를 포함합니다:
양극(카소드): 양극은 외부 회로에서 전자를 획득하고 전기화학 반응 중에 환원되는 긍정적 또는 산화 전극입니다. 리튬 배터리의 경우, 양극 재료는 주로 LiCoO2 또는 LiMn2O4로 만들어집니다. 양극은 리튬을 많이 저장하면서 구조적 변화 없이 유지해야 하며, 전해질과의 화학적 및 전기화학적 안정성, 리튬 이온의 좋은 전기 전도성 및 확산성, 그리고 저렴한 비용이 중요합니다.
음극(애노드): 음극은 외부 회로로 전자를 방출하고 전기화학 반응 중에 산화되는 부정적 또는 환원 전극입니다. 현재 가장 일반적으로 사용되는 음극 재료는 리튬과 결합된 흑연, LixC6로, 리튬과 층상 구조의 흑연 사이에 삽입됩니다. 실리콘과 기타 원소 혼합물을 기반으로 하는 새로운 재료들이 연구되고 있습니다.
분리막(Separator): 분리막은 배터리의 음극과 양극 사이에 위치한 투과성 멤브레인입니다. 분리막의 주요 기능은 두 전극을 분리하여 전기적 단락을 방지하는 동시에 전기화학 전지에서 전류의 통과 동안 필요한 이온 전하 운반체의 이동을 허용하는 것입니다. 현재 시중에 나와 있는 액체 전해질 전지는 주로 마이크로포러스 폴리올레핀 재료, 예를 들어 폴리에틸렌(PE) 또는 폴리프로필렌(PP)을 사용합니다. Li-ion 배터리의 분리막은 전해질 및 전극 재료에 대해 전기화학적 및 화학적으로 안정해야 합니다. 전기차 및 전기 항공기에 사용되는 고에너지 시스템의 리튬 금속 배터리를 지원하기 위해 MOF 코팅 멤브레인을 사용하는 기능적 분리막이 개발되고 있습니다.
전해질(Electrolyte): 모든 배터리에서 전해질의 선택은 성능뿐만 아니라 안전에도 중요합니다. 상용 리튬이온 배터리에 사용되는 대부분의 전해질은 비수용성 용액으로, 특히 에틸렌 카보네이트(EC)와 디메틸 카보네이트(DMC), 프로필렌 카보네이트(PC), 디에틸 카보네이트(DEC) 및/또는 에틸 메틸 카보네이트(EMC) 혼합물에 용해된 리튬 헥사플루오로인산염(LiPF6) 소금입니다. 좋은 전해질은 다른 전지 구성요소와의 낮은 반응성, 높은 이온 전도성, 낮은 독성, 전기화학적 전압 안정성의 큰 창(0-5V), 그리고 열적 안정성을 가져야 합니다.
