리튬-이온 배터리 소개
리튬-이온 배터리의 작동 원리
리튬{0}}이온 배터리는 주로 양극, 음극, 리튬 이온을 전도하는 전해질 및분리 기호양극과 음극을 분리하는 케이싱으로 이루어져 있습니다. 양극재는 일반적으로 리튬코발트산화물(LiCoO2), 리튬니켈산화물(LiNiO2), 리튬망간산화물(LiMn2O₄), 삼원계 물질(LiCoₓNiᵧMn₁₋ₓ₋ᵧO2) 등 리튬이온의 가역적인 삽입과 추출이 가능한 화합물을 말한다. 전해질은 특정 용매(주로 에틸렌카보네이트(EC), 디에틸카보네이트(DEC), 디메틸카보네이트(DMC), 프로필렌카보네이트(PC) 등을 일정 비율로 혼합한 혼합물)에 리튬염(일반적인 리튬염으로는 LiClO₄, LiPF₆, LiBF₄, LiBOB 등이 포함됨)이 용해되어 구성되어 있다. 분리막 재료는 일반적으로 Celgard 2300 분리막과 같은 단일-층 또는 다층-폴리프로필렌(PP) 및 폴리에틸렌(PE) 미세다공성 멤브레인을 사용하는 폴리올레핀 수지입니다. 음극에는 일반적으로 석유 코크스, 순수 흑연, 층상 흑연 혼합 탄소 등 리튬 삽입이 가능한 재료가 사용됩니다. 탄소(C₆)를 음극으로 사용하고 전이금속 산화물 LiMeO2를 양극으로 사용하는 리튬{10}}이온 배터리에서의 반응은 다음과 같습니다.
충전 중:
퇴원 중:
충전하는 동안 리튬 이온은 양극에서 방출되어 음극에 삽입됩니다. 방전 중에 리튬 이온이 음극에서 방출되어 양극에 삽입됩니다. 즉, 충전과 방전 과정에서 리튬이온이 마치 흔들의자처럼 양극과 음극 사이를 왔다 갔다 하는 것입니다. 따라서 리튬-이온 배터리를 '흔들의자 배터리'라고도 합니다. 이들의 작동 원리는 그림 1.1에 설명되어 있습니다.
정상적인 충전 및 방전 조건에서 층상 탄소 재료와 산화물 입자 사이 또는 리튬{0}}이온 배터리의 층 사이에 리튬 이온의 삽입 및 추출은 일반적으로 층간 간격의 변화만 일으키고 결정 구조를 손상시키지 않습니다. 충전 및 방전 중에 양극 및 음극 재료의 화학 구조는 본질적으로 변하지 않습니다. 따라서 충방전 반응의 가역성 측면에서 볼 때 전지 소재 내 리튬 이온의 삽입과 추출은 이상적인 반응 과정이다. 이러한 특성을 바탕으로 리튬-이온 배터리는 니켈-카드뮴 및 니켈-금속수소화물 배터리보다 성능이 우수합니다.
리튬-이온 배터리 분류
리튬{0}}이온 배터리는 사용되는 양극재, 외관 및 크기, 셀 제조 방법, 포장 유형 및 적용 특성에 따라 분류될 수 있습니다.
리튬{0}}이온 배터리는 사용되는 양극재에 따라 리튬코발트산화물 배터리, 리튬망간산화물 배터리, 삼원계 리튬 배터리, 리튬인산철 배터리로 나눌 수 있습니다.
리튬 코발트 산화물 배터리는 공칭 전압이 3.7V이고 작동 전압 범위는 2.4~4.2V입니다. 리튬코발트산화물 전지는 구조가 안정적이고 비용량이 높으며 종합 성능이 뛰어나지만 안전성이 낮고 가격이 비싸 주로 중소형 셀에 사용됩니다-. 최근에는 전지의 상한 전압을 4.3V나 4.35V까지 높일 수 있는 고-전압 리튬 코발트 산화물 소재가 개발되어 전지 용량과 에너지 밀도를 효과적으로 향상시킬 수 있다. 현재 리튬 코발트 산화물 배터리는 550Wh/kg에 달하는 가장 높은 체적 에너지 밀도를 갖고 있어 고급 휴대전화 및 기타 전자 제품에 전력을 공급하는 유일한 선택입니다.
MMANO(리튬 망간 산화물) 배터리의 공칭 전압은 3.8V이고 작동 전압 범위는 2.5~4.2V입니다. 과충전 보호 전압은 4.28V ± 0.025V이고, 과{6}}방전 보호 전압은 2.5V ± 0.1V입니다. MMANO 배터리는{10}}가격이 저렴하고 안전성이 뛰어납니다. 그러나 리튬망간산화물 소재 자체는 상대적으로 불안정하고 분해되기 쉬우며 가스가 발생하고 팽윤되는 현상이 발생합니다. 주기 수명이 상대적으로 빠르게 감소하고 수명이 상대적으로 짧으며 고온-성능이 좋지 않습니다. 주로 전력 배터리 제조를 위한 저가형-중형-~-대형-셀에 사용됩니다.
삼항 리튬{0}}이온(TLC) 배터리의 공칭 전압은 3.6V이고 작동 전압 범위는 2.75~4.2V입니다. 과충전 보호 전압은 4.28V ± 0.025V이고, 과{7}}방전 보호 전압은 2.75V ± 0.1V입니다. TLC 배터리는 전반적인 성능이 좋고 LCO(리튬 코발트 산화물)보다 저렴하며 안전성이 향상되었습니다. 동력전지에 사용될 수 있으며, 양극재 시장 점유율은 해마다 증가하고 있다. 삼원계 리튬-이온 소재를 사용하는 소형 리튬-이온 배터리가 점차 시장에서 수용되고 있습니다. 삼원계 재료는 강철-케이스, 알루미늄-케이스, 파우치, 폴리머 및 원통형 리튬-이온 배터리에 사용하기 위해 리튬 코발트 산화물 및 리튬 망간 산화물과 혼합할 수도 있으며, 이는 배터리 비용을 크게 줄이고 전반적인 성능을 향상시킬 수 있습니다. 현재 삼원계 배터리는 180Wh/kg의 에너지 밀도를 달성할 수 있어(26650 강철 케이스 배터리는 90g의 무게로 4600mAh/kg의 용량에 도달할 수 있음) 비용 효율성 면에서 분명한 이점을 제공합니다.{25}}
리튬인산철(LFP) 배터리의 공칭 전압은 3.2V이고 작동 전압 범위는 2.5~3.75V입니다. 과충전 보호 전압은 3.75V±0.025V이고, 과{6}}방전 보호 전압은 2.5V±0.1V입니다. LFP 배터리의 가장 큰 장점은 양극 재료의 안정성과 비{10}}분해성이며, 이는 다른 양극 재료 시스템에 비해 비교할 수 없는 안전성을 제공합니다. LFP 배터리는 수명이 길고 자원이 풍부하며 환경 친화적입니다. 그러나 방전 플랫폼이 낮고 저온 성능이 좋지 않습니다.-
리튬{0}}이온 배터리는 모양과 크기에 따라 원통형 배터리와 각형 배터리 등으로 구분됩니다.
리튬{0}}이온 배터리는 셀 제조 방식에 따라 권선형 배터리(원통형 및 평면형 권선), 적층형 배터리 등으로 구분됩니다.
리튬{0}}이온 배터리는 포장재 유형에 따라 강철-케이스 배터리, 알루미늄-케이스 배터리, 플라스틱{3}}케이스 배터리, 소프트-팩 배터리 등으로 나눌 수 있습니다.
리튬{0}}이온 배터리는 응용 특성에 따라 고온-배터리, 저온-배터리, 전원 배터리, 대용량 배터리 등으로 나눌 수 있습니다.
리튬-이온 배터리는 적용 분야에 따라 백업 배터리, 전원 배터리, 에너지 저장 배터리로 분류할 수 있습니다.
리튬{0}}이온 배터리의 응용
배터리가 발명된 이후 리튬{0}}이온 배터리만큼 빠르고 광범위하게 사용된 배터리 제품은 없다고 말할 수 있습니다. 컴퓨터 CPU용 클록 전원 공급 장치부터 자동차, 잠수함에 사용되는 대형 리튬{2}}이온 배터리 팩까지 용량 차이는 천만 배 이상입니다. 일상 생활, 의료 장비, 전기 자동차, 에너지 저장 발전소, 항공 우주 및 군대에 폭넓게 적용됩니다.
리튬{1}}이온 배터리는 대중화 이후 10년 넘게 휴대폰, 노트북 등 디지털 제품에 널리 사용되는 유일한 전원 시스템이 되었습니다. 높은 비에너지로 인해 전동 공구, 전기 자전거, 전기 버스, 풍력 및 태양 에너지 저장 발전소, 이동 통신 기지국, 광산 램프 전원 공급 장치, 광산 구조 캡슐 전원 공급 장치, 군인 개인 전원 공급 장치, 라디오, 위성 배터리 및 기타 여러 응용 분야에도 널리 사용됩니다. 통계에 따르면 2011년 중국 리튬 배터리 산업의 시장 규모는 397억 위안에 달해 전년 대비-43% 증가했으며, 리튬 배터리의 연간 생산량은 전년 대비 28.6% 증가한 29억 7천만 개에 달했습니다. 리튬전지 산업은 국가 경제²²의 중요한 산업 방향으로 자리 잡았습니다.
