리튬-이온 배터리의 특성은 무엇입니까?
리튬-이온 배터리 소재의 용량 및 기전력
리튬{0}}이온 배터리의 충전{0}}방전 반응 중에는 양극과 음극의 활물질만 리튬-이온 삽입/탈리 반응을 일으키고 전해질 및 기타 물질은 소모되지 않습니다. 따라서 양극재와 음극재가 리튬 이온을 가역적으로 삽입/탈리하는 전위가 전지의 개방-전압을 결정하고, 리튬 이온이 삽입/탈리되는 양에 따라 활물질의 용량이 결정됩니다. 많은 글로벌 리튬-이온 배터리 제조업체와 리튬-이온 배터리 공급업체는 이러한 재료 특성을 활용하여 안정적인 대량 생산과 일관된 제품 성능을 달성합니다.
음극의 경우 반응은 식 (1.2)에 따라 발생합니다. 탄소 1몰(12g)당 최대 1/6몰의 리튬 이온이 삽입될 수 있습니다. 따라서 탄소 음극재의 이론 비용량은
1/6(mol)×96485(패러데이 상수,C/mol)/12(g)=3400C/g=372(mA·h/g) (1.5)
일상적인 사용에서 흡착으로 인한 리튬 손실과 고체 전해질 계면(SEI) 필름의 형성을 고려하면 탄소 소재의 실제 달성 가능한 비용량은 300~345mA·h/g입니다. 선도적인 리튬-이온 배터리 팩 공급업체는 최적화된 흑연 배합 및 정밀한 코팅 공정을 통해 이러한 수준을 달성합니다.
양극재의 경우, 추출/삽입 가능한 리튬 이온의 양에 따라 용량이 달라집니다. LiCoO2를 예로 들면, LiCoO2 1몰당 최대 1몰의 리튬 이온이 반응에 참여할 수 있습니다. 따라서 LiCoO2(상대분자량 97.86)의 이론적 비용량은 다음과 같다.
1(mol)×96485(C/mol)/97.86(g)=985.95C/g=273.9(mA·h/g) (1.6)
실제로 LiCoO2 물질의 결정 안정성을 유지하기 위해 일반적으로 리튬 이온의 30%~60%만 반응에 참여합니다. 따라서 LiCoO2 물질의 실제 비용량은 137~164 mA·h/g이다. 주요 리튬-이온 배터리 OEM 제조업체는 고급 BMS를 통해 충전 및 방전 깊이를 제어하여 사이클 수명을 극대화하는 동시에 안전을 보장합니다.
인산철리튬의 경우 인산철리튬 1몰당 리튬 이온 1몰이 반응에 완전히 참여할 수 있습니다. 따라서 인산철리튬재료(상대분자량 157.8)의 이론적 및 실제 비용량은 다음과 같다.
1(mol)×96485(C/mol)/157.8(g)=611.44C/g=169.8(mA·h/g) (1.7)
자연계에서 Li/Li⁺의 표준 산화환원 전위는 가장 낮으며 -3.04V(표준 수소 전극 대비)에 이릅니다. 탄소 음극 소재의 경우 리튬 이온 추출 및 삽입 전위는 Li/Li⁺ 평형 전위에 가깝습니다. 전기화학적 이론에 따르면, 실온에서 탄소 음극의 전극 전위 E는 다음과 같습니다.
E=E 도 + 0.02567 · ln[C(Li⁺)/C(Li,C₆)] (1.8)
어디
E 등급 - 표준 전극 전위;
C(Li⁺) - 전해질 용액 내 리튬 이온 농도;
C(Li,C₆) - 음극 탄소의 리튬 이온 농도.
용액 중의 리튬 이온 농도와 음극 탄소 중의 리튬 이온 농도가 가까울 때, 음극의 전극 전위는 표준 환원 전위 E도와 같습니다. 일반적으로 전해질 중의 리튬 이온 농도는 고정되어 있으므로 음극 탄소의 리튬 이온 농도가 변화하면 음극 전위도 변화하게 됩니다. 현재 다양한 x 값을 사용하여 Li/C₆의 정확한 평형 전위를 계산할 수 있는 보편적인 방법은 없습니다. 일반적으로 실험적으로 결정됩니다. 실험에 따르면 흑연- 기반 재료의 탈리튬화 전위는 일반적으로 0~0.4V(Li/Li⁺ 대비)로 다양하여 응용 분야에 상대적으로 적합한 음극 재료가 되는 것으로 나타났습니다. 그림 1.2는 흑연 음극의 일반적인 충전{10}}특성 곡선을 보여줍니다.
LiCoO2 양극 소재의 경우 리튬 삽입/탈리 과정은 단일-반응입니다. 양극재의 리튬 이온 농도가 변화함에 따라 양극의 전위도 변화합니다. 전해질 내 리튬 이온 농도가 1 mol/L인 것을 고려하면, 식 (1.1)의 반응에 대해 양극 전위 E는 다음과 같습니다.
E=E 도 + 0.02567 · ln[C(Li⁺,CoO2)/C(LiCoO2)] (1.9)
어디
E 등급 - 표준 전극 전위;
C(LiCoO2) - 양극재의 LiCoO2 농도;
C(Li⁺,CoO2) - 양극재의 Li⁺ 및 CoO2 농도;
리튬 이온이 추출됨에 따라 양극 전위는 감소하는 경향을 보입니다.
인산철리튬 재료의 충전{0}}방전 과정은 탈리튬화 후 인산철리튬이 인산철로 전환되는 과정입니다.
인산철리튬 전극에서의 반응은 다음과 같다.
LiFePO₄ ← FePO₄ + Li⁺ + e⁻ (1.10)
리튬-이온 삽입/탈리 과정은 2상 반응입니다.- 따라서, 양극재 중의 리튬 이온 농도의 변화는 양극의 전위 변화에 영향을 미치지 않습니다. 그 평형 잠재력은
E=E 도 + 0.02567 · ln[C(FePO₄)/C(LiFePO₄)] (1.11)
순수한 고체의 농도는 1입니다. 열역학적 매개변수를 기반으로 하면 이론적 평형 전위는 3.4V입니다.
인산철리튬 재료의 일반적인 충전{0}}특성 곡선은 그림 1.3에 나와 있습니다.
리튬-이온 배터리의 성능 특성
다른 배터리와 비교할 때 리튬{0}이온 배터리는 리튬{1}이온 배터리 유통업체와 산업 고객이 널리 인정하는 다음과 같은 특성을 가지고 있습니다.
높은 에너지 밀도.리튬-이온 배터리의 에너지 밀도는 100W·h/kg, 200W·h/L 이상에 이릅니다. 최근 삼원계 음극 리튬{4}}이온 배터리는 200W·h/kg의 질량 비에너지를 달성했습니다. 고-니켈 실리콘- 기반 양극 재료와 리튬-풍부 음극 재료를 사용하면 질량 비에너지는 400W·h/kg, 체적 에너지 밀도는 900W·h/L에 달해 기존 배터리를 훨씬 능가할 것으로 예상됩니다. 따라서 리튬-이온 배터리는 휴대용 전자 제품 및 전기 자동차에 널리 사용됩니다.
개방-전압이 높습니다.비수성 유기 용매를 사용하기 때문에 단일-셀 전압은 3.6~3.8V에 이르며 이는 니켈-금속 수소화물 또는 니켈-카드뮴 배터리의 2~3배입니다. 고전압 양극 재료를 효과적으로 활용하면 단일 셀의 작동 전압을 4.5~5V까지 높일 수 있으며, 이는 리튬-이온 배터리의 에너지 밀도가 높은 중요한 이유 중 하나입니다.
고속-충전 및 방전이 가능합니다.예를 들어, 폴리머 전해질을 사용하는 모든-고체-리튬-이온 배터리는 우수한 안전성과 함께 10C 이상의 방전 속도를 달성할 수 있습니다. 인산철리튬을 음극으로 사용하는 리튬{4}}이온 배터리는 100C 방전을 달성할 수 있습니다.
자가방전율이-낮습니다.실온에서 리튬-이온 배터리의 월별 자가 방전율은 일반적으로 10% 미만이며, 니켈{3}}금속 수소화물 배터리(15%)보다 낮고 니켈{5}}카드뮴 배터리의 절반입니다. 인산철리튬 배터리의 자체 방전율은-일반적으로 3% 미만입니다.
환경 친화적인,납, 카드뮴, 수은 또는 기타 유해 물질이 포함되어 있지 않으며 환경을 오염시키지 않습니다.
메모리 효과가 없습니다.메모리 효과는 완전히 방전되기 전에 충전하거나, 완전히 충전되기 전에 사용하면 배터리 용량이 감소하는 현상을 말합니다(메모리 효과는 용량 감소가 아닙니다). 리튬-이온 배터리에는 메모리 효과가 없습니다.
좋은 안전.리튬{0}}이온 배터리는 일반적으로 금속 리튬에 가까운 전극 전위를 갖는 탄소 재료를 음극으로 사용합니다. 리튬 이온은 탄소에 가역적으로 삽입 및 탈리될 수 있어 리튬 금속 증착 가능성을 크게 줄이고 배터리 안전성을 크게 향상시킵니다. 최근에는 난연성 첨가제, 난연성-분리막, PTC(정온도 계수) 장치, 방폭-밸브, 배터리 관리 시스템 및 기타 기술을 통해 리튬-이온 배터리의 매우 높은 안전성을 보장했습니다.
긴 사이클 수명.리튬-이온 배터리의 주기 수명은 일반적으로 500주기 이상입니다. 인산철리튬 배터리의 주기 수명은 일반적으로 2000~3000주기입니다. 높은 사이클 성능(예: 티탄산리튬)을 갖춘 양극 재료 시스템과 결합하면 10,000사이클 이상을 달성할 수 있습니다. 따라서 인산철리튬 배터리는 에너지 저장 배터리 시스템 및 대규모-규모 ESS 프로젝트에 가장 적합한 선택입니다.
