이번 포스팅에서는 리튬이온 배터리의 특징과 장단점에 대해서 배워보겠습니다.
1. 리튬이온배터리 특징
리튬이온 배터리는 2015년 구축된 에너지 저장 시스템의 85.6%를 차지할 정도로 세계에서 가장 인기 있는 에너지 저장 형태 중 하나입니다.
리튬이온 배터리는 리튬이온을 저장할 수 있는 양극의 리튬 금속 산화물과 음극의 탄소로 구성됩니다. 사용된 전해질은 유기 탄산염에 용해된 리튬염입니다.
리튬 이온 배터리는 두 단계로 리튬 이온의 전달을 통해 작동합니다.
충전 중에는 리튬 이온이 양극에서 음극으로 전달되는 반면 방전 중에는 반대 현상이 발생합니다. 리튬이온배터리는 효과적인 작동을 보장하기 위해 온도 모니터링이 필요하지 않습니다.
리튬이온배터리의 수요가 많은 것은 접근성과 신뢰성 때문입니다. 휴대용 장치, 하이브리드 전기 자동차 및 전기 자동차와 같은 많은 기술은 리튬 이온 배터리에 의존합니다. 비록 이러한 저장 장치는 비용이 많이 들더라도 이러한 많은 리튬이온배터리의 장점으로 인해 대규모 저장 시스템을 생산하는 데 사용될 수 있습니다. 리튬이온 배터리는 모든 배터리형 에너지 저장장치 중에서 가격이 가장 높지만, 충방전 사이클 당 비용이 저렴하기 때문에 재생에너지를 저장하는 데 탁월한 역할을 하여 향후 미래에 꾸준히 사용될 예정입니다.
정리하면, 리튬 이온 전지(Li-ion)는 고효율, 긴 사이클 수명, 고에너지 밀도, 및 고출력 밀도 등 많은 우수한 특성을 가지고 있습니다
2. 리튬이온배터리의 동작 원리
2.1. 리튬이온의 발명
리튬 이온(Li-ion) 배터리는 휴대용 전자 제품과 전기 운송에 널리 사용되는 충전식 배터리의 주요 상업적 형태입니다. (리튬이온 배터리 이외에도 내연기관의 자동차 배터리에 과거부터 사용되어온 납축전지가 있습니다.) 리튬이온 배터리 1859년에 발명된 반면, 리튬이온 배터리를 뒷받침하는 연구는 1970년대에 발표되었고 첫 상업용 리튬이온 셀은 1991년에 출시되었습니다. 2019년에는 존 B. 굿이너프(Goodenough), 스탠리 위팅엄(M. Stanley Whittingham), 요시노 아키라(Akira Yoshino)는 현대 리튬이온 배터리 개발에 기여한 공로로 노벨 화학상을 수상했습니다.
리튬이온배터리는 어떻게 동작하나요?
- Electrodes: Current collectors에 붙어있는 셀의 끝에 양전하와 음전하를 띤 전극을 말하며
- Anode: The negative electrode 음
- Cathode: The positive electrode 양극
- Electrolyte: A liquid or gel that conducts electricity
- Current collectors: 셀 단자는 배터리, 장치 및 배터리에 전원을 공급하는 에너지원 사이에 전류를 전송합니다.
- Separator: 한쪽에서 반대쪽으로 리튬 이온의 교환을 가능하게 하면서 전극을 분리하는 다공성 고분자 필름
리튬 이온 배터리에서 리튬 이온(Li+)은 내부적으로 양극과 음극 사이를 이동합니다. 전자는 외부 회로에서 반대 방향으로 이동합니다. 배터리가 장치에 전원을 공급하는 이유는 전류를 발생시키기 때문입니다.배터리가 방전되는 동안 양극은 리튬 이온을 음극으로 방출하여 해당 장치에 전원을 공급하는 데 도움이 되는 전자 흐름을 생성합니다. 배터리가 충전될 때는 반대로 리튬 이온이 음극에 의해 방출되고 양극에 의해 수신됩니다.
다시 말하면,
리튬 이온 배터리는 1) 음극과 양극; 2) 두 전극 사이에 분리막; 3) 전지의 나머지 공간을 채우는 전해질로 구성되는 것을 특징으로 하는 리튬 이온 배터리. 양극과 음극은 리튬 이온을 저장할 수 있습니다. 리튬 이온이 전해질을 통해 이들 전극 사이를 이동하면서 에너지가 저장되고 방출됩니다.
3. 리튬이온 배터리의 장단점
3.1. 장단점
리튬이온 배터리의 장점은 무엇입니까?
다른 고품질의 충전식 배터리 기술(니켈-카드뮴, 니켈-금속-수소 또는 납-산)에 비해 리튬이온 배터리는 여러 가지 장점을 가지고 있습니다.
시중에 나와있는 배터리의 약 75 Wh/kg에 비해 킬로그램당 300 와트 시간(Wh/kg)에 근접하는 모든 상용 배터리 기술 중 가장 높은 에너지 밀도를 가지고 있습니다.
또한, 리튬이온 cell은 대체 전압 (1.2V~1.5V)의 1.5-3배인 최대 3.6V를 전달할 수 있으므로 운송과 같은 고출력 응용 분야에 적합합니다.
리튬이온 배터리는 비교적 유지 보수가 낮으며 배터리 수명을 유지하기 위해 예정된 사이클링이 필요하지 않습니다.
리튬이온 배터리는 메모리 효과가 없습니다. 반면, 다른 배터리의 경우 부분 방전/충전 사이클이 반복되면 배터리가 용량을 ‘기억’하게 될 수 있는 용량의 성능을 떨어뜨리는 메모리 효과를 가지고 있습니다. 리튬이온 배터리가 자가 방전율 또한 월 1.5~2% 정도로 낮습니다.
*리튬이온 배터리와 납축전지의 비교
-> 독성 납이나 카드뮴이 포함되어 있지 않어 환경 친화적이라고 평가 받습니다.
마지막으로, 높은 에너지 밀도와 긴 수명으로 인해 리튬이온 배터리는 Nissan Leaf, Tesla Model S와 같은 전기 자동차(EV)와 하이브리드 전기 보잉 787을 포함한 휴대용 전자 장치 및 전기 운송 분야에서 시장의 선두주자가 되었습니다.
우리 경제의 에너지 사용을 탈탄소화하는 측면에서 Li-ion 기술은 전기 자동차와 전기 항공 분야에서 가장 큰 잠재력을 가지고 있습니다.
리튬 이온 배터리의 단점은 무엇입니까?
리튬 이온 배터리는 가전제품과 전기 자동차에 널리 사용될 뿐만 아니라 오늘날 사용되는 전 세계 에너지 스토리지 99기가와트시(GWh)의 80% 이상을 차지합니다. 그러나 100% 재생 가능한 그리드를 위한 에너지 저장은 기존 배터리 기술만으로는 충족할 수 없는 새로운 문제점을 가지고 있습니다.
첫째, 10테라와트시(TWh) 이상의 저장 용량이 필요하며, 그에 해당하는 리튬, 니켈 및 코발트는 시중에 상당히 부족하고 재료 공급에 큰 차질이 겪고 있어 양극재 회사들이 원재료 공급에 사활을 걸고 있습니다.
둘째, 대규모의 장기적으로 사용되는 에너지 스토리지 저장장치는 시중에 원활한 공급을 위해서 매우 낮은 비용 (100달러/kWh 미만, 또는 오늘날의 최첨단 배터리 기술보다 두 배 이상 저렴한)과 20년 이상의 안정적인 사용 수명을 필요로 합니다. 또한, 기존의 배터리 에너지 저장 시스템을 kWh에서 MWh 또는 GWh로 확장하는 것은 고전압고전류 및 열 관리에 심각한 문제를 야기할 수 있어 안전 차원에서 다른 기술적 발전을 필요로 합니다.
미국이 8시간의 전기를 저장하려면 테라와트시(TWh)의 배터리를 배치해야 하는데, 이 배터리는 현재 가격으로 수조 달러의 비용이 들 것이고, 6주간의 계절 난방에는 수천 TWh의 저장 용량이 필요할 것입니다. 따라서 100% 청정 에너지 미래를 위해서는 환경 친화적이고 지구에 풍부한 재료를 사용하는 저비용 배터리 기술의 개발뿐만 아니라 전기 화학적, 화학적, 열 및 기계적 메커니즘의 조합을 사용하는 새로운 저장 전략이 필요합니다.
4. 앞으로의 전망
기술적 발전으로 고밀도 배터리에 대한 수요가 증가함에 따라 엔지니어들은 성능이 향상된 배터리 시제품을 신속하게 제작하기 위해 3차원(3D) 전극 구조와 적층 제조 방법을 사용하고 있습니다
기계공학(ME) 박사들은 연구소에서 3D 전극 아키텍처가 배터리 성능의 여러 측면을 개선할 수 있는 방법에 초점을 맞추고 있는 등 구조적으로 개선할 수 있는 방법을 고안하고 있습니다.
추가적으로, 배터리가 어떻게 작동하고 고장이 나는지를 평가하기 위한 물리적, 수학적, 계산적 모델을 만들고 있습니다.
이러한 모델은 배터리 성능 및 충방전 사이클을 최적화하고 위험한 배터리 고장을 예측하는 데 도움이 될 수 있습니다. Li-ion 배터리에 대한 진단을 발전시켜 일상적인 작동과 배터리 상태에 대한 데이터를 확보하고 있습니다.
이러한 진단 도구는 물리적으로 배터리의 문제점을 진단하는 시스템 모델과 함께 실시간으로 성능 저하 징후를 감지할 수 있어 사용자가 배터리 수명을 연장할 수 있도록 합니다. 또한 연구원들은 이러한 모델을 사용하여 태양광 마이크로그리드와 같이 EV 성능 표준을 초과하여 성능이 저하된 배터리에 대한 세컨드 수명을 예측할 수 있도록 돕습니다.
그리고 슈퍼컴퓨터를 사용하여 연구자들은 분자와 그들의 운동 및 열역학적 상호작용을 시뮬레이션하여 실험 기술에 제공되지 않는 관점에서 전기화학을 이해할 수 있습니다.