리튬 금속 배터리 개요
리튬 기반 일차 전지는 금속 리튬을 양극으로 사용하는 일회용 배터리로, 리튬 금속 배터리로도 알려져 있다. 이러한 배터리는 자기 방전률이 가장 낮아 최대 10년까지 가장 긴 사용 가능한 보관 기간을 가지며, 최대 70도의 온도에서도 안정적이다. 가장 일반적인 셀은 리튬-망간 이산화 셀, 리튬 철 이황화 셀, 리튬 티오닐 클로라이드 셀, 리튬 공기 셀 등이 있다.
리튬 금속 배터리의 구성
리튬 금속 배터리는 뚜껑(음극 단자), 양극(활성 물질로서 금속 리튬), 분리막(양극과 음극 사이의 투과성 막), 음극(고밀도 망간 이산화(MnO2)을 활성 물질로 사용), 전해질(리튬염이 용해된 유기 용매 혼합물) 및 캔(양극 단자) 등 다섯 부분으로 구성된다.
리튬 금속 배터리의 화학적 원리
리튬 금속 배터리는 화학 에너지를 전기 에너지로 직접 변환한다. 이 과정에서 양극(예: 망간 이산화)은 음극(예: 금속 리튬)에서 전자를 끌어당긴다. 리튬 금속 배터리에서 음극은 금속 리튬, 양극은 고밀도 망간 이산화(MnO2)로 구성되어 있다. 전해질은 리튬염이 용해된 유기 용매 혼합물이다. 리튬 이온(Li+)은 용액으로 들어가 전해질과 분리막을 통해 양극으로 확산한다. 전자는 외부 회로를 통해 이동하여 양극에서 MnO2, Li+ 이온 및 전자가 결합한다. MnO2는 네가에서 삼가 상태로 환원된다. 반응식은 다음과 같다: MnIVO2(s) + Li+ + e− → MnIIIO2(Li+), Li(s) → Li+ + e−, 전체 반응: Li(s) + MnIVO2(s) ⇌ MnIIIO2(Li+) [E° = +3.19 V]
리튬 금속 배터리의 장단점
장점: 일차 배터리는 이차 충전지보다 높은 에너지 밀도를 가진다. 높은 특정 에너지, 긴 저장 시간, 즉시 사용 가능한 특성으로 일차 배터리는 다른 전원 소스보다 독특한 이점을 가진다. 리튬 금속 배터리는 매우 높은 에너지 밀도, 높은 셀 전압, 평탄한 방전 특성, 낮은 자기 방전, 긴 작동 수명(리튬 티오닐 클로라이드의 경우 15~20년), 넓은 작동 온도 범위(-60 ° C ~ +85 ° C) 등의 이점을 가진다.
단점: 주요 단점은 일차 배터리가 일회용이라는 것이다. 또한, 충전지에 비해 낮은 C-율을 가지며, 대형 배터리의 경우 일차 배터리는 비용 효율적이지 않다. 리튬 금속 배터리의 주요 단점은 가격이다.
리튬 금속 배터리의 특성
셀 전압: 리튬-망간 이산화 셀의 셀 전압은 3V이다. 리튬 철 이황화 배터리(LiFeS2)는 양극으로 리튬, 음극으로 철 이황화, 전해질로 유기 용매 혼합물에 녹인 리튬염을 사용한다. 이 배터리의 셀 전압은 1.5 볼트이다.
컷오프 전압: 최소 허용 전압인 컷오프 전압은 배터리의 “비어있는” 상태를 일반적으로 정의한다. CR2032 배터리의 명목 전압은 3.0V이고 컷오프 전압은 2.0V이다.
용량: 쿨롬 계수 용량은 배터리가 특정 방전 전류로 100% SOC에서 컷오프 전압까지 방전될 때 사용 가능한 전체 암페어 시간이다. CR2032 배터리의 용량은 일반적으로 210~230mAh 범위이다.
다른 유형의 배터리
다음은 하나 이상의 전기화학 셀로 구성된 주목할 만한 전기 배터리 유형을 요약한 것이다. 사이즈 및 포맷별 배터리 분류, 일차(일회용) 및 이차(충전식) 셀 배터리 화학 분류, 배터리 응용 분야, 다양한 배터리 전압 등 네 가지 목록이 제공된다.
