리튬 폴리머 배터리의 구성
리튬-이온 배터리, 일명 Li-ion 배터리는 충전 가능한 이차 전지의 일종으로, 리튬 이온이 방전 시 양극에서 음극을 통해 전해질로 이동하고 충전 시 다시 되돌아가는 셀로 구성되어 있습니다. 리튬-이온 폴리머(LiPo) 배터리는 액체 전해질 대신 고분자 전해질을 사용하는 Li-ion 배터리의 한 형태입니다. 모든 LiPo 배터리는 고전도성 젤 고분자를 전해질로 사용합니다. 리튬 폴리머 셀은 리튬-이온 및 리튬-금속 배터리에서 발전되었습니다.
리튬 폴리머 배터리의 특징
리튬-이온과 Li-pol의 주요 차이점은 액체 리튬염 전해질(예: LiPF6)을 유기 용매에 담는 대신 고체 폴리머 전해질(SPE)을 사용한다는 점입니다. 이에 사용되는 SPE로는 폴리에틸렌 옥사이드(PEO), 폴리아크릴로니트릴(PAN), 폴리메틸 메타아크릴레이트(PMMA) 또는 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVdF)가 있습니다. LiPo는 다른 리튬 배터리보다 높은 비 에너지를 제공하며, 중량이 중요한 요소인 모바일 기기, 드론, 일부 전기 차량 등에 주로 사용됩니다.
리튬 폴리머 배터리의 구성 요소
리튬 폴리머 배터리의 양극은 복합 재료(삽입형 리튬 화합물)로 만들어지며, 리튬-이온 배터리 셀의 이름을 정의합니다. 음극은 일반적으로 다공성 리튬화 그래파이트로 만들어집니다. 전해질은 액체, 고분자, 또는 고체일 수 있습니다. 분리막은 리튬 이온의 전달을 가능하게 하면서 셀의 단락 및 열 폭주를 방지하기 위해 다공성입니다. 리튬-이온 배터리의 화학적 특성, 성능, 비용 및 안전성은 배터리 유형에 따라 다양합니다.
리튬 폴리머 배터리의 화학적 구성
리튬 폴리머 배터리의 양극은 외부 회로로부터 전자를 획득하고 전기화학 반응 중에 환원되는 긍정적 또는 산화 전극입니다. 리튬 배터리의 경우, 양극 재료는 주로 LiCoO2 또는 LiMn2O4로 구성됩니다. 양극은 구조의 중요한 변화 없이 많은 양의 리튬을 보유하고, 전해질과의 화학적 및 전기화학적 안정성이 좋으며, 리튬 이온의 좋은 전기 전도체 및 확산체이며, 비용이 저렴해야 합니다.
음극은 외부 회로로 전자를 방출하고 전기화학 반응 중에 산화되는 부정적 또는 환원 전극입니다. 오늘날 가장 일반적으로 사용되는 음극 재료는 리튬화된 그래파이트, LixC6로, 리튬으로 중간삽입된 그래파이트 시트로 구성됩니다. 실리콘 및 기타 원소 혼합물을 기반으로 하는 새로운 재료가 연구되고 있습니다. 리튬화된 그래파이트는 HCP 구조의 단위 셀을 가지고 있습니다.
분리막은 배터리의 음극과 양극 사이에 배치된 투과성 막으로, 두 전극을 분리하여 전기적 단락을 방지하는 동시에 전기화학 셀에서 전류의 통과 중에 필요한 이온 전하 운반체의 운송을 허용합니다. 상용 액체 전해질 셀은 마이크로포러스 폴리올레핀 재료, 예를 들어 폴리에틸렌(PE) 또는 폴리프로필렌(PP)을 사용합니다. 리튬-이온 분리막은 전해질 및 전극 재료에 대해 전기화학적 및 화학적으로 안정해야 합니다. 전기 차량 및 전기 항공기의 고에너지 시스템을 지원하기 위해 고성능 리튬-금속 배터리 설계를 지원하는 MOF 코팅 막을 사용하는 기능성 분리막이 개발되고 있습니다.
전해질은 모든 배터리의 성능뿐만 아니라 안전성에 있어 중요한 선택 요소입니다. 상용 리튬-이온 배터리에서 사용되는 대부분의 전해질은 유기 탄산염, 특히 에틸렌 탄산염(EC)과 디메틸 탄산염(DMC), 프로필렌 탄산염(PC), 디에틸 탄산염(DEC) 및/또는 에틸 메틸 탄산염(EMC)의 혼합물에 용해된 리튬 헥사플루오로인산염(LiPF6) 염으로 구성된 비수용액입니다. 좋은 전해질은 다른 셀 구성 요소와의 낮은 반응성, 높은 이온 전도성, 낮은 독성, 넓은 전기화학 전압 안정성 창(0-5V) 및 열적 안정성을 가져야 합니다.
