리튬이온 배터리

[바윗돌]

리튬이온 배터리

리튬(Lithium)은 알칼리 금속에 속하는 화학 원소로 기호는 Li이고 원자 번호는 3이다.

무르고 은백색인 금속으로, 공기나 물과 접촉하면 급격히 산화한다. 합금으로 열전달이나 전지 등에 사용된다.

기본 성질

리튬은 금속 중에서 가장 가벼운 물질로, 밀도가 물의 1/2밖에 되지 않는다. 최외각 전자가 한 개 있는 알칼리 금속으로, 전자 한 개를 잃고 양이온이 되기 쉽다. 이러한 성질로 인해, 리튬은 다른 윈소와 쉽게 결합하고, 자연에서 화합하지 않은 순수한 리튬을 찾는 것은 쉽지 않다.

리튬은 원래 은백색의 금속 광택을 가지고 있으나 공기중에서는 즉시 산화하여 회색으로 변한다. 산소가 없는 고온에서는 질소와 직접적으로 강하게 반응하여 검은색의 질화리튬을 형성한다.

밀도가 매우 작아서 기름위에 떠다닐 수 있을 정도로 가볍다.

물과 직접 반응하면 작은 수소기포를 발생하면서 천천히 녹아 없어진다.

공기중에서 강하게 가열하면 매우 밝은 빛을 내며 연소하는데, 이 때 하얀색의 산화물 미립자를 마치 연기처럼 방출한다.

리튬 전지(-電池, Lithium battery)는 리튬이나 리튬 혼합물을 음극으로 사용하는 전지를 말한다. 전지에 사용되는 화학물질이나 그 설계에 따라서 1.5 V~3.7 V의 전압을 내는데, 이것은 망간 전지나 알칼리 전지의 출력전압의 2배 가량에 달하는 수치이다. 리튬 전지는 휴대용 전자 장비 등에 널리 사용되고 있다.

리튬 전지는 재충전이나 재사용이 불가능한 일차 전지이며, 이와는 대조적으로 재충전하여 다시 사용할 수 있는 이차 전지인 리튬 이온 전지와는 다르다.

'리튬 전지'는 음극이나 전해질에 이용하는 화학 물질에 따라 몇 가지 종류로 나뉜다. 이 중에서 염화치오닐(SOCl₂)를 음극으로, 염화알루미늄리튬(LiAlCl₄)을 전해질로 하는 염화치오닐-리튬 전지(lithium-thionyl chloride cell)는 높은 에너지 밀도를 가지는 것으로 알려져 있다. 이 전지에서는 다공성의 탄소 물질이 외부 회로로부터 전자를 받아들이는 양극 집전 장치로 사용된다. 그러나 염화치오닐-리튬 전지는 일반적으로 시중에서 판매되지는 않으며 산업 현장에서 많이 쓰이고 있는데, 특히 장시간 낮은 전류로 작동시켜야 하는 경보 장치 등에 쓰인다.

실제 소비자들 가운데 널리 쓰이는 가장 흔한 리튬 전지는 유기용매에 리튬염을 용해시켜 만든 전해질을 사용하며, 금속 리튬을 음극으로, 이산화망간을 양극으로 사용한다.

3	헬륨 ← 리튬 → 베릴륨
H ↑ Li ↓ Na	주기율표 | 주기율표 확장

일반적 성질

이름, 기호, 번호

리튬, Li, 3

화학 계열

알칼리 금속

족, 주기, 구역

1, 2, s

모양

은백색/은회색

원자 질량

6.941(2) g/mol

전자 배열

1s² 2s¹

껍질 별 전자 수

2, 1

물리적 성질

상태

고체

밀도 (대략 실온)

0.534 g/cm^-3

액체 밀도 (녹는점)

0.512 g/cm³

녹는점

453.69 K
(180.54 °C, 356.97 °F)

끓는점

1615 K
(1342 °C, 2448 °F)

융해열

3.00 kJ/mol

기화열

147.1 kJ/mol

열용량

(25 °C) 24.860 J/(mol·K)

증기압

압력(Pa)	1	10	100	1 k	10 k	100 k
온도(K)	797	885	995	1144	1337	1610

원자의 성질

결정 구조

체심 입방 결정계

산화 상태

1
(강한 염기성 산화물)

전기 음성도

0.98 (폴링 척도)

이온화 에너지

1차: 520.2 kJ/mol^-1

2차: 7298.1 kJ/mol^-1

3차: 11815.0 kJ/mol^-1

원자 반지름

145 pm

원자 반지름 (계산)

167 pm

공유 반지름

134 pm

반데발스 반지름

182 pm

그밖의 성질

자기적 질서

비자기성

전기저항률

(20 °C) 92.8 nΩ·m

열전도율

(300 K) 84.8 W/(m·K)

열팽창계수

(25 °C) 46 µm/(m·K)

음속 (막대)

(20 °C) 6000 m/s

영률

4.9 GPa

층밀리기 탄성 계수

4.2 GPa

부피 탄성 계수

11 GPa

모스 굳기

0.6

CAS 등록번호

7439-93-2

주요 동위 원소

본문: 리튬 동위 원소

iso	존재비	반감기	DM	DE (MeV)	DP
6Li	7.5%	중성자 3개인 Li은 안정
7Li	92.5%	중성자 4개인 Li은 안정

리튬이온 배터리 작동원리 및 구성요소 

SDI에서 개발하고 있는 리튬 이온 이차 전지는 Li 산화물 양극과 탄소 음극, 유기 용매로 이루어진 전해액의 3부분으로 구성되어 있습니다. 양극 활물질에 포함된 Li 이온은 전해액에 의하여 음극으로 이동된 후 층상구조의 음극 활물질 사이로 삽입되게 되는데 이를 충전이라고 합니다.충전 과정에 의해 양극과 음극의 포텐셜의 차이가 발생하게 되고 이를 전지의 전압이라고 부르며 통상 리튬 이온 2차 전지의 경우 전압이 4.2V 가 될 때까지 충전을 수행합니다. 방전은 음극 활물질 사이에 삽입되어 있던 리튬이온이 다시 양극으로 이동할 때 발생하는 전자의 흐름을 이용하여 전기를 얻는 과정입니다.

작동원리

전기화학적 산화-환원 반응에 의해 발생하는 리튬이온의 이동(방전)으로 전류(전기)가 발생, 그 역방향은 충전

 

리튬이온전지의 충방전 원리

리튬이온의 물질 상태가 양극과 음극에서 서로 다르며, 이로 인한 물질의 고유 에너지 상태가 발생

에너지 상태의 차이를 전위차(전압)라 하며 전위차에 의해 전자가 이동(높은 곳에서 낮은 곳으로), 전류(전기)가 발생

방전 : 전자는 導線을 통해, 전자를 잃은 리튬이온은 전해질을 통해 음극 → 양극으로 이동

충전 : 외부 힘(충전기)에 의해 전자는 導線을 통해, 전자를 잃은 리튬이온은 전해질을 통해 양극 → 음극으로 이동하여 음극활물질(Carbon)의 층구조 사이에 저장

 

리튬이온전지의 구성요소

구성요소	역할및 소재
양극 (Cathode)	외부 導線으로부터 전자를 받아 양극 활물질 (리튬코발트옥사이드, LiCoO2)이 환원되는 전극)알루미늄 Foil
음극 (Anode)	음극 활물질(흑연, Carbon)이 산화되면서 導線으로 전자를 방출하는 전극 구리 Foill
분리막 (Separator)	양극과 음극의 전기적 접촉을 막는 다공성 막 폴리에틸렌 or 폴리프로필렌
전해질 (Electrolyte)	양극과 음극간의 이온 이동을 가능케 하는 중간 매개체 Liquid, Gel, Solid 형태의 화합물
Case	금속 Can (원형, 각형), Al Pouch

 

Cell(단위전지)종류 및 구조 : Case 모양과 사이즈에 따라 구분

원형

• – 구분 : 지름(mm) × 높이(mm) (× 용량)
    예) 18650(-22) : 지름 18mm × 높이 650mm (× 2200mAh)
• – 주요 활용 분야 : Note PC, DSC, Camcorder 등

 

 

• Safety Vent : 전지 Short時 가스 발생하여 내압 상승으로 부풀어 올라 양극 리드선을 끊어 전류 차단하는 안전장치
• PTC(Positive Temperature Coefficient) : 도가 일정 수준 이상으로 상승하면 저항이 증가, 전류를 억제하여 전지가 수용 가능한 전류 수준으로 제어하는 안전장치

각형/폴리머

• – 구분 : 두께(10-1mm) × 폭(mm) × 높이(mm)
    예) 453048 : 두께 4.5mm × 폭 30mm × 높이 48mm
• – 주요 활용 분야 : 휴대폰, PDA, Slim형 Note PC 등

 

 

 

Pack 종류 및 구조

Pack이란? : User의 다양한 전력 요구사항을 만족시키기 위하여 Cell을 User의 요구에 맞도록 직병렬 배열하거나, 특정 기기에 손쉽게 탈착, 삽입이 가능토록 구성한 전지 또는 전지 조합품

 

 

 

• Smart 회로 : 전지 잔류용량, 사용 횟수 등을 PC에 알려줄 수 있는 Intelligent 회로
• 보호 회로 : Pack화 될 때 장착되며 과전류, 과전압, 과열시 導電을 차단