리튬이온배터리 원리와 구조

리튬이온배터리 소개

리튬이온배터리는 21세기 녹색 이차전지로서, 납축전지, 카드뮴 니켈전지, 수소 니켈전지 등 다른 이차전지에 비해 개방전압과 에너지 밀도가 높으며, 수명이 길고 기억효과가 없으며 오염이 없고 자가방전이 적다는 장점이 있다. 1990년 탄생 이후 몇 년 만에 급속한 발전을 이루었고 휴대전화, 노트북, 카메라, 가전제품 등에 널리 사용되고 있다.

리튬이온전지는 리튬이온을 가역적으로 삽입·탈리할 수 있는 화합물을 각각 2개씩 양·음극으로 구성한 2차 전지를 말한다. 리튬이온이 양극과 음극 사이에서 이동하면서 충방전을 하는 배터리를 로킹 체어(Rocking Chair) 배터리라고 한다.

1980년 M. Armand 등은 2차 리튬 배터리의 금속 리튬 음극 대신 리튬이 삽입된 화합물을 사용하는 것을 처음 제안했으며 '흔들 의자 배터리'(rocking chair battery)의 개념을 제안했다. 1990년 일본 소니(Sony)사는 석유 코크스를 음극, LiCoO2를 양극으로 하는 리튬 이온 2차 전지를 개발하였다.

리튬배터리는 액상 리튬이온배터리(LIB)와 폴리머 리튬이온배터리(PLB) 2가지로 나뉘는데, 액상 리튬이온전지는 Li 내장화합물이 양극과 음극인 이차전지를 말하며 배터리 양극은 리튬 화합물 LiCoO 또는 LiMnO를 사용하고 음극은 리튬-탄소 층간 화합물을 사용한다.

리튬배터리는 지금까지 상용화된 모든 2차 화학전원 중 성능이 가장 우수한 배터리로, 다른 배터리에 비해 많은 장점을 가지고 있다. 리튬이온배터리의 충방전 과정에서 리튬이온은 양극→음극→정극에서 운동하는 상태로 리튬이온의 이동을 실현한다.

리튬이온 배터리는 에너지 밀도가 높아 안전성을 확보하기 어렵다. 과충전 상태에서는 배터리 온도가 상승하면 에너지가 과잉되어 전해액이 분해되어 가스가 발생하고 내압 상승으로 인해 자연 발화 또는 파열의 위험이 발생하며, 반대로 과방전 상태에서는 분해로 인해 전해액이 배터리 특성 및 내구성이 저하되어 충전 가능 횟수가 감소하게 된다. 리튬이온배터리 보호회로는 과충전 보호, 과전류/단락 보호 및 과방전 보호를 포함하며, 과충전 보호는 고정밀도, 보호IC 소비전력, 고내압 및 제로볼트 충전 등의 특성을 요구한다.

 

리튬배터리의 구조와 재료

리튬이온 배터리는 양·음극 전극, 전해질, 고분자 분리막 및 보호회로 칩으로 구성된다.

 

<양극재>

배터리 발전의 역사는 곧 재료 과학 기술 발전의 역사와 같다. 공정의 개선은 배터리 용량을 변화시켰고, 신소재의 발명은 배터리 품질의 변화를 촉진했다. 리튬 원소를 포함하는 전도체 재료(이온 화합물, 폴리머)를 전극 재료로 사용하는 것이 고에너지 전지에 가장 적합한 선택임을 예측할 수 있다.

리튬배터리는 양극재에 따라 코발트산리튬, 망간산리튬, 인산철리튬 세 가지로 나눌 수 있고, 코발트산 리튬은 코발트 가격이 높아 포기되었다. 망간산 리튬은 인산철 리튬에 비해 안전성과 수명이 높지 않으며, 예측 가능한 미래에 인산철 리튬은 리튬 배터리의 주요 양극 재료가 될 것으로 예상된다. GM의 볼트(Volt)와 비야디(Byd)의 F3DM은 모두 리튬인산철 배터리를 사용한다. 망간산리튬과 인산철리튬 등 발전 가능성이 큰 양극재의 기술 진보로 동력 배터리 분야에서도 확장 행보를 시작했다.

 

<음극재>

현재 업계에서는 음극 재료에 대한 연구가 비교적 적지만, 사실 음극과 양극은 리튬 이온 배터리에 동등한 중요성을 가지고 있다. 양극 재료는 고전위 리튬 삽입 화합물을 선택해야 하며, 음극 재료는 저전위 리튬 삽입 화합물을 선택해야 한다.

현재 사용되는 리튬이온배터리 음극재로는 흑연, 소프트카본, 하드카본 등이 있으며 흑연에는 천연흑연, 인조흑연, 흑연 탄소섬유가 있다. 소프트 카본에서 흔히 볼 수 있는 것은 석유 코크스, 침상 코크스, 탄소 섬유, 중간상 탄소 미소구체(MCMB) 등이 있다. 하드카본은 고분자 중합체의 열분해 탄소를 말하며, 일반적으로 수지 탄소, 유기 고분자 열분해 탄소, 카본 블랙 등이 있다.

현재 흑연 재료 외에도 기타 다양한 재료는 여전히 해결되지 않은 몇 가지 문제가 있어 현재 LIB 생산에 적용할 수 없다. 리튬 합금 재료의 경우 합금화 과정에서 부피 팽창률이 너무 커서 전극 재료가 반복적으로 충방전될 때 분말화되고 전도 네트워크가 중단되어 사이클 성능이 매우 좋지 않다. 더 나은 음극 재료를 얻기 위해서는 이러한 문제에 대한 추가 연구가 필요한 상황이다.

 

<전해액>

전해액은 리튬배터리의 4대 핵심재료 중 하나로 리튬배터리의 '혈액'이라 불리며 리튬배터리가 고전압, 고비에너지 등의 강점을 갖게 한다. 배터리의 필수 핵심재료로서 리튬이온배터리 전해액의 발전은 리튬이온배터리의 발전에 달려 있다. 리튬배터리 전해액은 헥사플루오로인산리튬(LiFL)과 유기용매를 더해 제조되며, 헥사플루오로인산리튬은 오염화인과 무수불화수소에 용해된 불화리튬의 반응으로 결정화된다.

 

<분리막>

분리막 재료는 리튬이온 배터리 원가의 1/3 정도를 차지하는데, 리튬이온배터리 분리막은 일반적으로 폴리프로필렌(PP), 폴리에틸렌(PE) 단층 미세다공성 필름과 PP와 PE가 복합된 다층 미세다공성 필름을 분리막으로 사용한다.

 

<배터리 보호 IC>

리튬배터리는 사용과정에서 과충전, 과방전, 과전류가 모두 배터리의 수명과 성능에 영향을 미치며 심할 경우 리튬배터리가 연소, 폭발할 수 있다. 휴대전화 리튬배터리 폭발로 인명피해 사례가 발생하고 있으며 IT와 휴대전화 제조업체가 리튬배터리 제품을 리콜하는 사건이 자주 발생하고 있다. 따라서, 각 리튬배터리는 전용 IC와 여러 개의 외부 부품으로 구성된 안전 보호판을 설치해야 하며, 보호 루프를 통해 배터리에 대한 손상을 효과적으로 모니터링하고 과충전, 과방전 및 단락으로 인한 연소 및 폭발 위험을 방지해야 한다. 모든 리튬이온배터리에 배터리 보호 IC가 설치되어 있기 때문에 리튬배터리 보호 IC 시장은 매우 커서 매년 수십억 달러의 시장이 있다.