리튬이온전지

리튬이온전지

Nokia 3310 휴대폰의 3.6V Li-ion 배터리
비중에너지	100–265 Wh/kg (0.360–0.954 MJ/kg)[1][2]
에너지 밀도	250–693 Wh/L (0.90–2.49 MJ/L)[3][4]
비전력	c. 250~340W/kg[1]
충방전 효율	80–90%[5]
에너지/소비자가격	7.6 Wh/US$ (US$132/kWh)[6]
자가 방전율	충전상태에[7] 따라 월 0.35%~2.5%
사이클 내구성	400–1,200 사이클 [8]
공칭 셀 전압	3.6 / 3.7 / 3.8 / 3.85 V, LiFePO4 3.2 V, Li4Ti5O12 2.3 V

리튬-이온 또는 Li-이온 배터리는 에너지를 저장하기 위해 Li⁺ 이온이 전자 전도성 고체로 가역적으로 삽입되는 것을 사용하는 충전식 배터리의 일종입니다. Li-ion 배터리는 다른 충전식 배터리와 비교하여 높은 비에너지, 높은 에너지 밀도, 높은 에너지 효율, 더 긴 사이클 수명, 더 긴 캘린더 수명을 특징으로 합니다. 또한 주목할 만한 것은 1991년 시장에 출시된 이후 리튬 이온 배터리의 특성이 획기적으로 개선되었다는 점입니다. 향후 30년 이내에 부피 에너지 밀도는 3배 증가한 반면 비용은 10배 감소했습니다.^[9]

2019년 노벨 화학상이 인정한 ^[10]것처럼, Li-ion 배터리의 발명과 상용화는 인류 역사상 모든 기술의 가장 큰 영향 중 하나였을 것입니다. 보다 구체적으로, Li-ion 배터리는 휴대용 가전제품, 노트북 컴퓨터, 휴대폰, 그리고 전기 자동차를 가능하게 했습니다. 즉, e-모빌리티 혁명이라고 불리는 것을 가능하게 했습니다.^[11] 또한 그리드 규모의 에너지 저장뿐만 아니라 군사 및 항공 우주 응용 분야에도 상당한 용도가 사용될 것으로 예상됩니다.

리튬 이온 셀은 에너지 또는 전력 밀도를 최적화하도록 제조할 수 있습니다.^[12] 핸드헬드 전자 제품은 대부분 리튬 폴리머 배터리(전해질로 폴리머 젤이 포함됨), 리튬 코발트 산화물(LiCoO
₂) 양극 재료 및 흑연 음극을 사용하여 높은 에너지 밀도를 제공합니다.^[13][14] 리튬철인산화물(LiFePO
₄), 리튬망간산화물(LiMnO
_2
4 spinel 또는 LiMnO계
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3 리튬-풍부 층상물질, LMR-NMC), 리튬니켈망간코발트산화물(LiNiMnCoO
₂ 또는 NMC)은 보다 긴 수명 및 보다 높은 방전율을 제공할 수 있습니다. NMC 및 그 파생물은 차량의 온실가스 배출을 줄이기 위한 주요 기술 중 하나인 운송의 전기화에 널리 사용됩니다(^[15]재생 에너지와 결합됨).

M. Stanley Whittingham은 1970년대에 인터칼레이션 전극을 고안하여 이황화 티타늄 양극과 리튬-알루미늄 음극을 기반으로 한 최초의 충전식 리튬-이온 배터리를 개발했지만 안전 문제에 시달리며 상용화되지는 않았습니다.^[16] John Goodenough는 1980년에 리튬 코발트 산화물을 음극으로 사용하여 이 작업을 확장했습니다.^[17] 리튬 금속이 아닌 탄소질 양극을 사용한 현대 리튬이온전지의 첫 시제품은 1985년 요시노 아키라가 개발해 1991년 니시 요시오가 이끄는 소니·아사히 카세이팀이 상용화했습니다.^[18] M. Stanley Whittingham, John Goodenough, and Akira Yoshino는 리튬이온 배터리 개발에 기여한 공로로 2019년 노벨 화학상을 수상했습니다.

리튬 이온 배터리는 손상되거나 잘못 충전될 경우 폭발과 화재로 이어질 수 있는 가연성 전해질을 가지고 있기 때문에 적절하게 설계 및 제조되지 않으면 안전상의 위험이 될 수 있습니다. 안전한 리튬 이온 배터리의 개발과 제조에 많은 진전이 있었습니다.^[19] 인화성 전해질을 제거하기 위해 리튬이온 전고체 배터리가 개발되고 있습니다. 부적절하게 재활용된 배터리는 특히 유독성 금속에서 유독성 폐기물을 생성할 수 있으며 화재의 위험이 있습니다. 게다가, 리튬과 배터리에 사용되는 다른 주요 전략 광물들은 모두 추출에 있어서 중요한 문제를 가지고 있는데, 리튬은 종종 건조한 지역에서 수분을 집중적으로 공급하고 다른 광물들은 종종 코발트와 같은 충돌 광물들입니다. 두 환경 문제 모두 일부 연구자들이 광물 효율을 개선하고 철-공기 배터리와 같은 대안을 찾도록 장려했습니다.

리튬 이온 배터리의 연구 분야로는 수명 연장, 에너지 밀도 증가, 안전성 향상, 비용 절감, 충전 속도 증가 ^[20][21]등이 있습니다. 일반적인 전해질에 사용되는 유기 용매의 가연성 및 휘발성을 기반으로 안전성을 높이기 위한 경로로 불연성 전해질 분야에서 연구가 진행되어 왔습니다. 전략에는 수성 리튬 이온 배터리, 세라믹 고체 전해질, 고분자 전해질, 이온성 액체 및 불소화 시스템이 포함됩니다.^{[22][23][24][25]}

역사

충전식 Li-ion 배터리에 대한 연구는 1960년대로 거슬러 올라갑니다. 가장 초기의 예 중 하나는 1965년 NASA에 의해 개발된 CuF
₂/Li 배터리입니다. 가장 초기 형태의 현대 리튬이온 전지를 생산한 획기적인 발견은 영국의 화학자 M에 의해 이루어졌습니다. 1974년 이황화티타늄(TiS
₂)을 양극재로 처음 사용한 스탠리 위팅엄(Stanley Whittingham)은 결정구조에 큰 변화 없이 리튬이온을 흡수할 수 있는 층상구조를 가지고 있습니다. 엑손은 1970년대 후반에 이 배터리를 상용화하려고 했지만 TiS가
₂ 수분에 민감하고 물과 접촉하면 독성 HS
₂ 가스를 방출하기 때문에 합성에 비용이 많이 들고 복잡하다는 것을 알게 되었습니다. 더 놀라운 것은 전지 안에 금속 리튬이 존재하기 때문에 전지에 자발적으로 불이 붙기 쉽다는 것이었습니다. 이와 다른 이유로 엑손은 휘팅엄의 리튬-티타늄 이황화 전지 개발을 중단했습니다.^[26]

1980년, Ned A는 각각 다른 그룹에서 일했습니다. 신은 등과 ^[27][28][29]곧 미즈시마 코이치와 존 B. 다양한 대체 재료를 테스트한 결과 TiS를
₂ 리튬 코발트 산화물(LiCoO
₂, 또는 LCO)로 대체했는데, 이 산화물은 비슷한 층상 구조를 가지고 있지만 전압이 높고 공기 중에서 훨씬 안정적입니다. 이 물질은 나중에 최초의 상용 Li-ion 배터리에 사용될 것이지만, 그 자체로 가연성의 지속적인 문제를 해결하지는 못했습니다.^[26]

리튬 금속이 불안정하고 덴드라이트가 형성되기 쉬워 단락의 원인이 될 수 있기 때문에, 이러한 충전용 Li-ion 전지를 개발하기 위한 초기의 시도는 리튬 금속 음극을 사용하였으며, 이는 안전성의 문제로 인해 결국 폐기되었습니다. 궁극적인 해결책은 전지 충전 중 리튬 금속의 형성을 방지하는 음극에 사용되는 것과 유사한 삽입 양극을 사용하는 것이었습니다. 다양한 음극 소재가 연구되었습니다. 1980년, Rachid Yazami는 흑연에서 리튬의 가역적인 전기화학적 삽입을 입증했습니다.^[30][31] 이 개념은 원래 1974년 위르겐 오토 베센하르트가 제안했지만 당시 사용 중인 전해질과의 해결되지 않은 비호환성 때문에 실현 가능성이 없는 것으로 간주되었습니다.^[26][32][33] 사실, Yazami의 작업 자체는 고체 전해질(폴리에틸렌 옥사이드)에 국한되어 있었습니다. 왜냐하면 그가 실험한 액체 용매와 Li⁺ 이온이 흑연에 공동 삽입되기 전에 흑연이 붕괴되었기 때문입니다.

1985년 아사히 카세이사의 요시노 아키라는 탄소의 흑연화가 덜한 형태인 석유코크스가 구조적인 열화 없이 Li+/Li에 비해 ~0.5 V의 낮은 전위로 가역적으로 Li-이온을 삽입할 수 있다는 것을 발견했습니다.^[34] 그것의 구조적 안정성은 석유 코크스의 비정질 탄소 영역이 층을 서로 연결하는 공유 접합부 역할을 하는 데서 비롯됩니다. 비록 석유 코크스의 비정질 특성은 흑연(~Li0)에 비해 용량을 제한합니다.5C6, 0.186Ah g–1)의 사이클링 안정성으로 인해 Li-ion 배터리의 첫 번째 상용 인터칼레이션 양극이 되었습니다.

1987년 요시노 아키라는 이전에 보고된 Goodenough의 LiCoO₂ 양극 및 탄산 에스테르 기반 전해질과 함께 "연탄"(숯과 같은 물질)의 양극을 사용하여 최초의 상업용 리튬 이온 배터리가 되는 특허를 받았습니다. 이 배터리는 방전된 상태로 조립되어 더 안전하고 저렴하게 제조할 수 있습니다. 1991년, 요시노의 디자인을 사용하여 소니는 세계 최초로 충전식 리튬 이온 배터리를 생산하고 판매하기 시작했습니다. 다음 해, 도시바와 아사시 카세이사의 합작 회사도 그들의 리튬 이온 배터리를 출시했습니다.^[26]

1990년대에 소프트 카본 양극을 처음에는 하드 카본으로, 나중에는 흑연으로 교체함으로써 에너지 밀도가 크게 향상되었습니다. 1990년에 Dalhousie University(캐나다)의 Jeff Dahn과 두 명의 동료는 에틸렌 카보네이트 용매(실온에서 고체이며 다른 용매와 혼합하여 액체를 만드는)가 존재하는 상태에서 흑연에 리튬 이온이 가역적으로 삽입되는 것을 보고했습니다. 따라서 현대 리튬 이온 배터리로 이어지는 퍼즐의 마지막 조각을 찾는 것입니다.^[35]

2010년 전 세계 리튬이온 배터리 생산 능력은 20기가와트시였습니다.^[36] 2016년까지 28GWh였고, 중국에서는 16.4GWh였습니다.^[37] 2020년 전 세계 생산능력은 767GWh로 중국이 75%^[38]를 차지하고 있습니다. 2021년 생산량은 다양한 출처에서 200~600GWh로 추정되며 2023년 예측치는 400~1,100GWh입니다.^[39]

2012년에 존 B. 굿이너프, 라치드 야자미와 요시노 아키라는 리튬 이온 배터리를 개발한 공로로 2012년 IEEE 환경 및 안전 기술 메달을 수상했습니다. 굿이너프, 휘팅엄과 요시노는 2019년 "리튬 이온 배터리 개발"로 노벨 화학상을 수상했습니다.^[40] Jeff Dahn은 ECS 배터리 부문 기술상(2011)과 국제 배터리 재료 협회(2016)로부터 Yeager상을 받았습니다.

2023년 4월, CATL은 당시 기록적인 500 Wh/kg을 생산하는 반고체 콘덴서 배터리의 규모를 확장하기 시작할 것이라고 발표했습니다. 겔화된 재료로 만든 전극을 사용하므로 결합제가 적게 필요합니다. 이는 결국 제조 주기를 단축시킵니다. 한 가지 잠재적인 응용 분야는 배터리로 작동하는 비행기입니다.^[41][42][43] 리튬 이온 배터리의 또 다른 새로운 개발은 결합제나 전자 전도성 첨가제를 사용하지 않고 에너지와 전력을 완전히 독립적으로 확장할 수 있는 산화 환원 표적 고체를 가진 흐름 배터리입니다.^[44]

설계.

일반적으로 기존 리튬이온전지의 음극은 탄소로 만든 흑연입니다. 양극은 일반적으로 금속 산화물입니다. 전해질은 유기 용매에 있는 리튬염입니다.^[45] 음극(전지가 방전될 때의 음극)과 양극(방전될 때의 음극)은 세퍼레이터에 의해 단락되는 것이 방지됩니다.^[46] 전극은 집전체라고 불리는 금속 조각으로 외부 전자 장치와 분리됩니다.^[47]

음극과 양극은 셀이 충전되면 전기화학적 역할(양극과 음극)을 바꿉니다. 그럼에도 불구하고, 배터리 설계에 대한 논의에서 재충전 가능한 셀의 음극은 흔히 "양극", 양극은 "양극"이라고 불립니다.

흑연은 완전 리튬화된 LiC₆ 상태에서 그램 당 1339 쿨롬(372 mAh/g)의 이론 용량과 관련이 있습니다.^[48] 양극은 일반적으로 층상 산화물(리튬 코발트 산화물 등), 폴리 음이온(리튬 인산철 등) 또는 스피넬(리튬 망간 산화물 등)의 3가지 물질 중 하나입니다.^[49] 그래핀 함유 전극은 비용이 많이 들기 때문에 상업적으로 실행 가능한 것과는 거리가 멀지만 더 많은 실험 재료가 포함되어 있습니다.^[50]

리튬은 물과 격렬하게 반응하여 수산화리튬(LiOH)과 수소 가스를 형성합니다. 따라서 비수 전해질이 일반적으로 사용되며 밀봉된 용기는 배터리 팩에서 수분을 견고하게 배제합니다. 비수 전해질은 전형적으로 에틸렌 카보네이트와 같은 유기 카보네이트와 리튬 이온의 복합체를 포함하는 프로필렌 카보네이트의 혼합물입니다.^[51] 에틸렌 카보네이트는 탄소 음극에서 고체 전해질을 인터페이즈(interphase)하는 데 필수적이지만,^[52] 상온에서 고체이기 때문에 액체 용매(프로필렌 카보네이트나 디에틸 카보네이트 등)를 첨가합니다.

전해질 염은 거의 항상 리튬 헥사플루오로인산염(LiPF
₆)으로, 좋은 이온 전도도와 화학적, 전기화학적 안정성을 결합합니다. 헥사플루오로인산염 음이온은 양극에 사용되는 알루미늄 집전체를 패시베이션하는 데 필수적입니다. 티타늄 탭은 알루미늄 집전체에 초음파 용접됩니다. 다른 염들, 예를 들어 과염소산리튬(LiClO
₄), 리튬 테트라플루오로보레이트(LiBF
₄), 리튬 비스(트리플루오로메탄설포닐)이미드(LiCFNOS
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2) 등은 탭리스 코인 셀에서 연구에 자주 사용되지만,^[53] 알루미늄 집전체와 호환되지 않기 때문에 더 큰 포맷 셀에서는 사용할 수 없습니다. (점용접 니켈 탭이 있는) 구리는 음극에서 집전체로 사용됩니다.

집전체 설계 및 표면 처리는 전기적 특성을 향상시키기 위해 호일, 메쉬, 폼(탈합금), 에칭(전체 또는 선택적), 코팅(다양한 재료로) 등 다양한 형태를 취할 수 있습니다.^[47]

재료 선택에 따라 리튬 이온 셀의 전압, 에너지 밀도, 수명 및 안전성이 크게 달라질 수 있습니다. 현재의 노력은 성능을 향상시키기 위해 나노 기술을 사용하는 새로운 아키텍처의 사용을 탐구해 왔습니다. 관심 분야는 나노 스케일의 전극 재료와 대체 전극 구조를 포함합니다.^[54]

전기화학

리튬이온전지의 전기화학 반응에서 반응물은 전극의 재료이며, 둘 다 리튬 원자를 포함하는 화합물입니다. 리튬 이온 배터리에 사용하기 위해 수천 가지 다양한 물질이 연구되었지만 상업적인 용도로 만들어진 이 기술의 사용 가능한 화학 공간은 매우 작습니다. 모든 상용 Li-ion 셀은 인터칼레이션 화합물을 활성 물질로 사용합니다.^[55] 음극은 보통 흑연이지만 용량을 늘리기 위해 실리콘이 자주 혼합됩니다. 용매는 일반적으로 유기 탄산염 혼합물에 용해된 육불화인산 리튬입니다. 양극에는 LiCoO₂, LiFePO₄ 및 리튬 니켈 망간 코발트 산화물과 같은 다양한 재료가 사용됩니다.

셀 방전 동안 음극은 양극이고 음극은 양극입니다. 전자는 양극에서 외부 회로를 통해 음극으로 흐릅니다. 양극에서 산화 반반응은 양전하를 띤 리튬 이온과 음전하를 띤 전자를 생성합니다. 산화 반반응은 양극에 남아 있는 충전되지 않은 물질을 생성할 수도 있습니다. 리튬 이온은 전해질을 통해 이동하고, 전자는 외부 회로를 통해 음극 쪽으로 이동하여 환원 반 반응으로 음극 물질과 재결합합니다. 전해질은 리튬 이온의 전도성 매질을 제공하지만 전기 화학 반응에는 참여하지 않습니다. 방전 중의 반응은 전지의 화학적 전위를 낮추므로 방전은 전지에서 전류가 에너지를 방출하는 모든 곳으로 에너지를 전달합니다. 주로 외부 회로에 있습니다.

이러한 반응과 수송은 충전하는 동안 반대 방향으로 진행됩니다: 전자는 외부 회로를 통해 양극에서 음극으로 이동합니다. 셀을 충전하기 위해 외부 회로는 전기 에너지를 제공해야 합니다. 그러면 이 에너지는 (예를 들어 1보다 낮은 쿨롱 효율로 인해) 셀에 화학 에너지로 저장됩니다.

두 전극은 각각 삽입(인터칼레이션) 또는 추출(디인터칼레이션)이라고 불리는 과정으로 리튬 이온이 구조를 드나들 수 있도록 합니다.

리튬 이온이 두 전극 사이를 왔다 갔다 하며 "락킹 체어 배터리" 또는 "스윙 배터리"(일부 유럽 산업에서 사용하는 용어)라고도 합니다.^[56][57]

다음 식들은 화학적 성질(좌에서 우로: 방전, 우에서 좌로: 충전)을 예시합니다.

흑연에 대한 음극 반반응은^[58][59]

${\displaystyle {LiC6 <=> C6 + Li+ + e^-}}$

리튬이 도핑된 코발트 산화물 기판에서의 양극 반반응은

${\displaystyle {\ce {CoO2 + Li+ + e <=> LiCoO2}}$

완전 반응은.

${\displaystyle {\ce {LiC6 + CoO2 <=> C6 + LiCoO2}}$

전체적인 반응에는 한계가 있습니다. 과방전은 리튬 코발트 산화물을 과포화시켜 리튬 산화물을 생성합니다.^[60] 아마도 다음과 같은 비가역적 반응에 의해 리튬 산화물이 생성될 수 있습니다.

${\displaystyle {\ce {Li+ + e^- + LiCoO2 -> Li2O + CoO}}$

최대 5.2V까지 과충전하면 x선 회절에 의해 입증된 바와 같이 코발트(IV) 산화물이 합성됩니다.^[61]

${\displaystyle {\ce {LiCoO2 -> Li+ + CoO2 + e^-}}$

양극의 전이금속인 코발트(Co)는 방전 시 Co에서⁴⁺
Co로³⁺
환원되고, 충전 시 Co에서^3+
4+
Co로 산화됩니다.

셀의 에너지는 전압과 전하의 곱과 같습니다. 리튬의 각 그램은 패러데이 상수/6.941, 또는 13,901 쿨롬을 나타냅니다. 3V에서 리튬 1g당 41.7kJ, 즉 리튬 1kg당 11.6kWh를 제공합니다. 이것은 휘발유의 연소열보다 약간 더 높지만 리튬 배터리에 들어가는 다른 물질과 리튬 배터리를 에너지 단위당 몇 배 더 무겁게 만드는 물질은 고려하지 않습니다.

이러한 반응과 관련된 셀 전압은 수용액이 전기분해하는 전위보다 크다는 점에 유의하십시오.

방전과 충전

방전 시 리튬 이온(Li⁺
)은 전지 셀 내의 전류를 음극에서 양극으로 비수 전해질 및 분리막 격막을 통해 운반합니다.^[62]

충전 중에 외부 전력원이 셀에 과전압(셀 자체의 전압보다 큰 전압)을 가하여 전자가 양극에서 음극으로 흐르게 합니다. 또한 리튬 이온은 양극에서 음극으로 (전해액을 통해) 이동하여 인터칼레이션(intercalation)이라고 알려진 과정에서 다공성 전극 재료에 내장됩니다.

전극층 사이의 계면 및 집전체와의 접촉에서 발생하는 전기 접촉 저항으로 인해 발생하는 에너지 손실은 일반적인 작동 조건에서 배터리 전체 에너지 흐름의 20%까지 높아질 수 있습니다.^[63]

단일 Li-ion 전지와 완전 Li-ion 전지의 충전 절차는 약간 다릅니다.

• 단일 Li-ion 셀은 두 단계로 충전됩니다.^[64][65]

1. 정전류(CC)
2. 정전압(CV)

• Li-ion 배터리(연속적으로 Li-ion Cells 세트)는 다음과 같은 세 단계로 충전됩니다.

1. 정전류
2. 균형(사용 중에 셀 그룹이 불균형해질 경우에만 필요)
3. 정전압

정전류 단계 동안 충전기는 셀당 충전 전압 한계에 도달할 때까지 꾸준히 증가하는 전압으로 일정한 전류를 배터리에 인가합니다.

균형 단계에서 충전기/배터리는 충전 전류를 감소(또는 충전 온/오프 사이클링하여 평균 전류를 감소)시키는 반면, 배터리가 균형을 이룰 때까지 균형 회로를 통해 개별 셀의 충전 상태를 동일한 수준으로 만듭니다. 일반적으로 하나 이상의 셀이 다른 셀보다 먼저 충전 최고 전압에 도달할 때마다 밸런싱이 수행됩니다. 충전 사이클의 다른 단계에서 수행하는 것은 일반적으로 부정확하기 때문입니다. 이는 가장 일반적으로 수동형 밸런싱에 의해 수행되며, 이는 균형을 맞추기 위해 셀을 가로질러 순간적으로 연결된 저항기를 통해 과도한 전하를 방출합니다. 능동형 밸런싱은 DC-DC 컨버터 또는 다른 회로를 통해 다른 셀(또는 전체 팩)로 과도한 에너지를 반환하는 것이 덜 일반적이고 비용이 많이 들지만 더 효율적입니다. 일부 급속 충전기는 이 단계를 생략합니다. 일부 충전기는 각 셀을 독립적으로 충전하여 균형을 달성합니다. 이는 배터리 보호 회로/배터리 관리 시스템(BPC 또는 BMS)에서 수행되며 충전기(일반적으로 대량 충전 전류만 제공하고 셀 그룹 레벨에서 팩과 상호 작용하지 않음), 예를 들어 e-바이크 및 호버보드 충전기에서 수행됩니다. 이 방법에서는 BPC/BMS가 더 낮은 충전 전류(예: EV 배터리)를 요청하거나, 밸런싱이 실행되는 동안 트랜지스터 회로를 사용하여 충전 입력을 차단합니다(휴대용 전자 장치에서는 일반적임). 밸런싱은 충전의 정전압 단계에서 가장 자주 발생하며, 충전 모드 간에 완료될 때까지 전환됩니다. 팩은 일반적으로 밸런싱이 완료된 경우에만 완전히 충전됩니다. 단 한 개의 셀 그룹이라도 나머지 셀 그룹보다 충전이 적게 되면 전체 배터리의 사용 가능 용량이 자체 용량으로 제한됩니다. 배터리의 불균형 크기에 따라 밸런싱이 몇 시간 또는 며칠 동안 지속될 수 있습니다.

정전압 단계에서 충전기는 전류가 초기 정전압 전류의 약 3%의 설정 임계값 미만이 될 때까지 최대 셀 전압과 직렬 셀 수의 곱에 해당하는 전압을 배터리에 인가합니다.

주기적인 토핑 충전은 500시간에 한 번 정도입니다. 최고 충전은 전압이 4.05V/cell 이하일 때 시작하는 것이 좋습니다.^{[dubious – discuss]}

전류 및 전압 제한을 따르지 않을 경우 폭발이 발생할 수 있습니다.^[66][67]

Li-ion의 충전 온도 제한은 작동 제한보다 더 엄격합니다. 리튬 이온 화학은 고온에서 잘 수행되지만 열에 장기간 노출되면 배터리 수명이 줄어듭니다. Li-ion 배터리는 더 낮은 온도에서도 우수한 충전 성능을 제공하며 5 ~ 45°C(41 ~ 113°F)의 온도 범위 내에서 "급속 충전"이 가능합니다.^{[68][better source needed]} 충전은 이 온도 범위 내에서 수행해야 합니다. 0 ~ 5°C의 온도에서는 충전이 가능하지만 충전 전류를 줄여야 합니다. 저온(0°C 미만) 충전 중에는 내부 셀 저항으로 인해 주변보다 약간 높은 온도가 상승하는 것이 유리합니다. 충전 중 온도가 높으면 배터리 성능이 저하되고 45°C 이상의 온도에서 충전하면 배터리 성능이 저하되는 반면, 온도가 낮으면 배터리 내부 저항이 증가하여 충전 속도가 느려지고 충전 시간이 길어질 수 있습니다.^{[68][better source needed]}

배터리는 연결되지 않아도 서서히 자가 방전되어 전류를 전달합니다. 리튬이온 충전 배터리는 제조업체에서 일반적으로 월 1.5~2%의 자가 방전율을 제시합니다.^[69][70]

온도와 충전 상태에 따라 속도가 증가합니다. 2004년 연구에 따르면 대부분의 사이클링 조건에서 자가 방전은 주로 시간에 의존적이었습니다. 그러나 몇 달 동안 개방 회로 또는 부유식 충전 상태로 유지된 후 충전 상태에 의존적인 손실이 크게 발생했습니다. 자가 방전율은 충전 상태에 따라 단조적으로 증가하는 것이 아니라, 중간 충전 상태에서 다소 떨어졌습니다.^[71] 배터리 노후화에 따라 자가 방전 속도가 증가할 수 있습니다.^[72] 1999년에는 월 자가 방전량이 21°C에서 8%, 40°C에서 15%, 60°C에서 31%로 측정되었습니다.^[73] 2007년까지 월별 자가 방전율은 2~3%, 2016년에는^[7] 2~3%로 추정되었습니다.^[74]

이에 비해 NiMH 배터리의 자가 방전율은 2017년 기준으로 기존 일반 셀의^[75] 경우 월 최대 30%에서 낮은 자가 방전 NiMH 배터리의 경우 월 약 0.08~0.33%로 감소했으며 NiCd 배터리의 경우 월 약 10% 수준입니다.^{[citation needed]}

음극

리튬 이온 배터리의 상용 양극 물질에는 (1) 층상 산화물, (2) 스피넬 산화물 및 (3) 옥소아니언 복합체의 세 가지 종류가 있습니다. 이 모든 것들은 존 구디너프와 그의 협력자들에 의해 발견되었습니다.^[76]

(a) 층상 산화물

LiCoO는₂ 1991년 소니가 만든 최초의 상용 리튬 이온 배터리에 사용되었습니다. 상기 층상 산화물은 2차원 리튬 이온 확산을 가능하게 하는 층간 공간에 의해 분리된 MO₆ 팔면체로 이루어진 층들을 포함하는 의사 사면체 구조.^{[citation needed]} LiCoO의_x2 밴드 구조는 진정한 전자 전도성(극성이 아닌)을 가능하게 합니다. 그러나⁴⁺ Cod-band와_2g O2p-band^2- 사이의 중첩으로 인해 x는 >0.5이어야 하며 그렇지₂ 않으면 O evolution이 발생합니다. 이는 이 재료의 충전 용량을 ~140mAhg로^-1 제한합니다.^[76]

다른 여러 1열(3d) 전이 금속은 층상 LiMO₂ 염을 형성합니다. 그 중 일부는 산화리튬 및 MO로부터 직접 제조될 수 있고(예를 들어, M=Ti, V, Cr, Co, Ni), 다른 것들(M= Mn 또는 Fe)은 NaMO로부터의 이온 교환에 의해 제조될 수 있습니다. LiVO, LiMnO와₂ LiFeO는₂ 금속 이온 M에 대한 8면체와 4면체 환경 간의 낮은 에너지 차이로 인해 구조적 불안정성(M과 Li site 간의 혼합 포함)을 겪고 있습니다. 이러한 이유로 리튬 이온 배터리에는 사용되지 않습니다.^[76] 그러나⁺ Na와 Fe는³⁺ NaFeO가₂ 나트륨 이온 배터리에 사용될 수 있을 정도로 충분히 다른 크기를 가지고 있습니다.^[77]

마찬가지로 LiCrO는₂ 170-270 mAh/g의 3.2 V 부근에서 가역적인 리튬(탈) 인터칼레이션을 보여줍니다.^[78] 그러나⁴⁺ Cr의 불균형과 Cr이⁶⁺ 사면체 부위로 이동하기 때문에 주기 수명이 짧습니다.^[79] 반면, NaCrO는₂ 훨씬 더 우수한 사이클 안정성을 보여줍니다.^[80] LiTiO는₂ ~1.5 V의 전압에서 Li+(탈) 인터칼레이션을 보여주는데, 이는 양극재로는 너무 낮습니다.

이러한 문제들은 LiCoO와
₂ LiNiO가
₂ 리튬 이온 배터리 음극의 유일한 실용적인 층상 산화물 재료로 남게 됩니다. 코발트계 양극은 높은 이론비(질량당) 충전용량, 높은 체적용량, 낮은 자기방전, 높은 방전전압, 양호한 사이클링 성능을 보여줍니다. 불행히도, 그들은 재료의 높은 비용으로 고통 받고 있습니다.^[81] 이 때문에 현재 리튬이온전지 제조사들 사이에서는 Ni 함량은 높고 Co 함량은 낮은 음극으로 전환하는 추세입니다.^[82]

니켈-산화물 기반 물질은 낮은 (코발트보다) 비용 외에도, 니켈을 포함하는 층상 산화물(예를 들어, 니켈-코발트-망간 NCM 및 니켈-코발트-알루미늄 산화물 NCA)에서, 산화 상태 +2 및 +4 사이의 Ni 사이클(+3.5 내지 +4.3 V 사이의 한 단계에서)에서, Ni의 2-전자 산화물 화학의 이점을 갖습니다.^[83][76] 코발트-는 +2에서 +3 사이이며, Mn(보통 >20%)과 Al(^[84]일반적으로 5%만 필요)은 각각 +4와 3+에 남아 있습니다. 따라서 Ni 함량이 증가하면 순환 가능한 전하가 증가합니다. 예를 들어, NCM111은 160 mAh/g을 나타내고, LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2 (NCM811) and LiNi0.8Co0.15Al0.05O2(NCA)는 ~200 mAh/g의 높은 용량을 제공합니다.^[85]

전통적인 NCM(LiMO2, 여기서 M=Ni, Co, Mn) 층상 음극 재료로부터 Li에 해당하는 전압/ 전하로 사이클링할 때 생성될 수 있는 소위 " lithium이 풍부한" 음극을 언급할 가치가 있습니다.M<0.5. 이러한 조건에서 ca.0.4-0.8 전자/금속 부위 전하를 갖는 더 높은 전압에서 새로운 반가역성 산화환원 전이가 나타납니다. 이 전이는 대부분 O 원자를 중심으로 한 비결합 전자 궤도를 포함합니다. 상당한 초기 관심에도 불구하고, 이러한 현상은 이러한 "리튬이 풍부한" 단계의 빠른 구조적 분해(O2 진화 및 격자 재배열) 때문에 시장성 있는 제품으로 이어지지 않았습니다.^[86]

(b) 입방 산화물(스핀)

LiMn2O4는 입방격자를 채택하여 3차원 리튬이온 확산이 가능합니다.^[87] 망간 음극은 망간이 코발트나 니켈보다 가격이 저렴하기 때문에 매력적입니다. Li-LiMn2O4 전지의 작동 전압은 4 V이며, 약 2 Mn 이온 당 1개의 리튬을 사면체 부위에서 가역적으로 추출할 수 있어 <130 mAh hg–1의 실용적인 용량을 얻을 수 있습니다. 그러나³⁺ Mn은 불용성 Mn과⁴⁺ 가용성 Mn으로²⁺ 분해되는 경향이 있기 때문에 안정적인 산화 상태가 아닙니다.^[81][88] LiMn2O4는 또한 +3.0 V 정도의 낮은 전압에서 Mn 당 0.5 Li 이상을 삽입할 수 있습니다. 그러나 이는 Mn3³⁺+:t2g3eg1의 Jahn-Teller 왜곡과 Mn의 불균형 및 용해로 인해 비가역적인 상전이를 초래합니다.

Mn 스피넬의 중요한 개선은 LiMn1.5Ni0.5의 관련 입방정계 구조입니다.산화 상태 +2와 +4 사이에서 Mn4+로 Mn이 존재하고 Ni이 가역적으로 순환하는 O4형.^[76] 이 물질은 약 4.7 V에서 135 mAh/g의 가역적인 Li-이온 용량을 보여줍니다. 이러한 고전압은 배터리의 비에너지를 증가시키는 데 유리하지만, 현재 적절한 고전압 전해질의 부족으로 인해 그러한 물질의 채택이 방해받고 있습니다.^[89] 일반적으로 산화 상태 +2와 +4 사이에서 Ni의 2전자 사이클링 가능성 때문에 2023년에는 니켈 함량이 높은 재료가 선호됩니다.

LiV2O4는 LiMn2O4보다 낮은 전압(약 +3.0V)으로 동작하며, 유사한 내구성 문제를 겪고 있고, 비용이 많이 들기 때문에 실용적인 관심사로 간주되지 않습니다.^[90]

(c) 옥소아니온/올리브인

1980년경 만티람은 옥소아니언(그 특별한 경우에는 몰리브데이트와 텅스텐 상태)이 산화물에 비해 금속 이온의 산화 환원 전위에 상당한 양의 변화를 일으킨다는 것을 발견했습니다.^[91] 또한, 이러한 옥소아니온 음극 소재는 해당 산화물보다 더 나은 안정성/안전성을 제공합니다. 반면에, 옥소아니온 음극은 앞서 언급한 산화물과 달리 전자 전도도가 나쁘며, 이는 주로 산화 환원 활성 금속 중심 사이의 먼 거리에서 기인하며, 이는 전자 수송을 느리게 합니다. 이를 위해서는 작은 (<200 nm) 캐소드 입자를 사용하고 낮은 전기 전도성을 극복하기 위해 각 입자에 전자 전도성 탄소 층을 코팅해야 합니다.^[92] 이는 이러한 재료의 패킹 밀도를 더욱 감소시킵니다.

이후 수많은 옥소아니온(황산염, 인산염, 규산염)/금속(Mn, Fe, Co, Ni) 양이온 조합이 연구되었지만 시장에 출시된 것은 LiFePO4가 유일합니다. LiFePO는
₄ 비용이 저렴하고 안전성이 우수하며 사이클 내구성이 높아 (전기차가 아닌) 고정식 에너지 저장을 위한 리튬이온 배터리의 대규모 사용이 2023년^[update] 기준 1차 후보입니다. 예를 들어, Sony Fortelion 배터리는 100% 방전 상태에서 8,000 사이클 후에도 용량의 74%를 유지했습니다.^[93]

양극

기술	회사	대상어플리케이션	혜택
리튬니켈망간코발트산화물 NMC, LiNixMnyCozO2	이마라사, 닛산자동차,[94][95] 마이크로바스트, LG화학, [96]노스볼트[97]	전기 자동차, 전동 공구, 그리드 에너지 저장 장치	양호한 비에너지 및 비전력 밀도
리튬 니켈 코발트 알루미늄 산화물 NCA, LiNiCoAlO2	파나소닉,[96] Saft Groupe S.A.[98] 삼성[99]	전기 자동차, 전동 공구, 그리드 에너지 저장 장치	높은 비에너지, 좋은 수명
리튬니켈코발트망간알루미늄산화물 NCMA, LiNi 0.89Co 0.05Mn 0.05Al 0.01O 2	LG화학 [100]한양대학교[101]	전기 자동차, 그리드 에너지 저장	양호한 비에너지, 향상된 장기 사이클 안정성, 더 빠른 충전
리튬망간산화물 LMO, LiMn2O4	LG화학,[102] NEC, 삼성,[103] 히타치,[104] 닛산/AESC,[105] 에너델[106]	하이브리드 전기 자동차, 휴대폰, 노트북
인산철리튬 LFP, LiFePO4	텍사스 대학교/Hydro-Québec,[107] 포스텍 리튬 주식회사, Valence Technology, A123 Systems/MIT[108][109]	전기 자동차, 세그웨이 퍼스널 트랜스포터, 전동 공구, 항공 제품, 자동차 하이브리드 시스템, PHEV 변환	적당한 밀도(2A·h 출력 70암페어) 코발트/망간 시스템 대비 높은 안전성. 작동 온도 >60°C(140°F)
리튬코발트산화물 LCO, LiCoO2	소니 최초의 상업생산[110][111]	광범위한 용도, 노트북	고비에너지

양극

음극 재료는 전통적으로 흑연 및 기타 탄소 재료로 구성되지만, 새로운 실리콘계 재료가 점점 더 많이 사용되고 있습니다(Nanowire battery 참조). 2016년 리튬 이온 배터리의 89%는 흑연(인공 43%, 천연 46%), 7%는 비정질 탄소(소프트 카본 또는 하드 카본), 2%는 티탄산리튬(LTO), 2%는 실리콘 또는 주석계 물질을 함유했습니다.^[112]

이러한 재료는 풍부하고 전기 전도성이며 리튬 이온을 삽입하여 약간의 부피 팽창(~10%)^[113]으로 전하를 저장할 수 있기 때문에 사용됩니다. 흑연은 삽입 전압이 낮고 성능이 우수하기 때문에 지배적인 소재입니다. 더 높은 용량을 가진 다양한 대체 소재들이 제안되었지만, 대개 전압이 더 높아 에너지 밀도가 떨어집니다.^[114] 저전압은 양극의 핵심 요구사항입니다. 그렇지 않으면 에너지 밀도 측면에서 과잉 용량은 쓸모가 없습니다.

음극

기술	에너지 밀도	내구성	회사	대상어플리케이션	평.
흑연	260 Wh/kg		테슬라	리튬 이온 배터리에 사용되는 지배적인 음극 물질로 372 mAh/g의 용량으로 제한됩니다.[48]	저렴한 비용과 좋은 에너지 밀도를 제공합니다. 흑연 음극은 탄소 원자 6개당 리튬 원자 1개를 수용할 수 있습니다. 충전 속도는 흑연을 구성하는 길고 얇은 그래핀 시트의 모양에 따라 결정됩니다. 충전하는 동안 리튬 이온은 그래핀 시트의 바깥쪽 가장자리로 이동한 후 시트 사이를 쉬게(삽입)해야 합니다. 순환 경로는 너무 오래 걸려서 그 가장자리 주변에서 정체가 발생합니다.[115]
티탄산리튬 LTO, Li4Ti5O12			도시바, 알테어나노	자동차(Phoenix Motorcars), 전기 그리드(PJM Interconnect Regional Transmission Organization control area,[116] 미국 국방부[117]), 버스(Proterra)	향상된 출력, 충전 시간, 내구성(안전, 작동 온도 -50~70°C(-58~158°F)).[118]
하드카본			에너지2[119]	가정용 전자제품	스토리지 용량이 증대됩니다.
주석/코발트합금			소니	가전제품 (소니 넥셀리온 배터리)	흑연이 있는 셀(3.5Ah 18650형 셀)보다 용량이 큽니다.
실리콘/탄소	730Wh/L 450 Wh/kg		암프리우스[120]	스마트폰, 5000mAh 용량 제공	흑연 및 바인더와 결합된 실리콘 나노와이어로 10% 미만을 사용합니다. 에너지 밀도: ~74 mAh/g. 또 다른 접근법은 탄소 코팅된 15nm 두께의 결정 실리콘 플레이크를 사용했습니다. 테스트한 하프셀은 800 사이클에 걸쳐 1200 mAh/g을 달성했습니다.[121]

흑연은 최대 용량이 372 mAh/g으로^[48] 제한되어 있기 때문에 많은 연구가 더 높은 이론 용량을 나타내는 재료의 개발과 현재 구현을 방해하는 기술적 문제를 극복하는 데 전념해 왔습니다. Kasavajula et al.^[122] 의 광범위한 2007년 리뷰 기사는 리튬 이온 이차 전지용 실리콘 기반 음극에 대한 초기 연구를 요약한 것입니다. 특히, Hong Li ^[123]등은 2000년 실리콘 나노입자와 실리콘 나노와이어에 리튬이온을 전기화학적으로 삽입하면 비정질의 Li-Si 합금이 형성된다는 것을 보여주었습니다. 같은 해, 보가오와 그의 박사과정 지도교수인 오토 저우 교수는 실리콘 나노와이어로 구성된 양극으로 전기화학 전지를 순환시키는 방법에 대해 설명했으며, 가역 용량은 적어도 900에서 1500 mAh/g에 달했습니다.^[124]

다이아몬드와 같은 탄소 코팅은 리튬 기반 배터리의 경우 유지 용량을 40%, 사이클 수명을 400% 증가시킬 수 있습니다.^[125]

리튬 음극의 안정성을 향상시키기 위해 보호층을 설치하는 몇 가지 방법이 제안되었습니다.^[126] 실리콘은 훨씬 더 많은 리튬 이온을 수용할 수 있어 최대 10배의 전하를 저장할 수 있기 때문에 음극 재료로 사용되기 시작했지만, 이러한 리튬과 실리콘의 합금화는 상당한 부피 팽창(약 400%)^[113]을 초래하여 셀에 치명적인 실패를 초래합니다.^[127] 실리콘은 음극 재료로 사용되어 왔지만 ${\displaystyle {\text{Li}}^{}}$+ ${\$을 삽입 및 추출하면 재료에 균열이 발생할$$ 수 있습니다. 이러한 균열은 Si 표면을 전해질에 노출시켜 새로운 Si 표면(구겨진 그래핀 캡슐화 Si 나노입자)에 분해 및 고체 전해질 인터페이즈(SEI) 형성을 유발합니다. 이 SEI는 계속해서 두께가 두꺼워지고, ${\displaystyle {\text{사용}}^{}}$가능한$Li$ + {\$displaystyle {\scriptstyle$ Li$+}}$이 고갈되며, 양극의 용량$$및 사이클 안정성이 저하됩니다.

리튬 이온 배터리용 탄소 및 실리콘계 음극 소재 외에도 고엔트로피 금속 산화물 소재가 개발되고 있습니다. 이러한 변환 물질은 다양한 기능을 수행하는 여러 금속 산화물의 합금(또는 서브나노미터 혼합상)을 포함합니다. 예를 들어, Zn과 Co는 전기 활성 전하 저장 종으로 작용할 수 있고, Cu는 전자 전도성 지지상을 제공할 수 있으며, MgO는 분쇄를 방지할 수 있습니다.^[128]

전해질

리튬 이온 전지의 액체 전해질은 에틸렌 카보네이트, 디메틸 카보네이트, 디에틸 카보네이트와 같은 유기 용매 중의 LiPF
₆, LiBF
₄ 또는 LiClO와
₄ 같은 리튬염으로 이루어져 있습니다.^[129] 액체 전해질은 방전 시 음극에서 양극으로 전달되는 양이온의 이동을 위한 전도성 경로 역할을 합니다. 상온(20°C(68°F)에서 액체 전해질의 일반적인 전도도는 10mS/cm 범위이며, 40°C(104°F)에서는 약 30-40% 증가하고 0°C(32°F)에서는 약간 감소합니다.^[130] 선형 탄산염과 고리형 탄산염(예를 들어, 에틸렌 탄산염(EC)과 디메틸 탄산염(DMC)의 조합은 높은 전도성과 고체 전해질 간상(SEI) 형성 능력을 제공합니다. 유기 용매는 충전 중 음극에서 쉽게 분해됩니다. 적절한 유기 용매를 전해질로 사용할 경우 초기 충전 시 용매가 분해되어 고체 전해질 인터페이즈라 불리는 고체층을 형성하게 되는데,^[131] 이는 전기적으로 절연성을 가지지만 상당한 이온 전도성을 제공합니다. 인터페이즈는 두 번째 충전 후 전해질의 추가 분해를 방지합니다. 예를 들어, 에틸렌 카보네이트는 리튬 대비 0.7 V의 비교적 높은 전압에서 분해되어 치밀하고 안정적인 계면을 형성합니다.^[132] POE(poly(oxyethylene)) 기반의 복합 전해질은 비교적 안정적인 계면을 제공합니다.^[133][134] 고체(고분자량)이면서 건조한 Li-폴리머 셀에 적용할 수도 있고, 액체(저분자량)에 적용할 수도 있고, 일반 Li-ion 셀에 적용할 수도 있습니다. 상온 이온 액체(RTIL)는 유기 전해질의 가연성 및 휘발성을 제한하는 또 다른 방법입니다.^[135]

최근 배터리 기술의 발전은 전해질 재료로 고체를 사용하는 것을 포함합니다. 이 중 가장 유망한 것은 도자기입니다.^[136] 고체 세라믹 전해질은 대부분 리튬 금속 산화물로, 고유 리튬 때문에 고체를 통한 리튬 이온 수송이 더 용이합니다. 고체 전해질의 주된 장점은 누출의 위험이 없다는 것인데, 이는 액체 전해질이 있는 배터리의 안전성 문제가 심각합니다.^[137] 고체 세라믹 전해질은 세라믹과 유리의 두 가지 주요 범주로 나눌 수 있습니다. 세라믹 고체 전해질은 보통 이온 수송 채널이 있는 결정 구조의 고차 화합물입니다.^[138] 일반적인 세라믹 전해질은 리튬 초이온 전도체(LISICON)와 페로브스카이트입니다. 유리질 고체 전해질은 세라믹 고체 전해질과 유사한 원소로 구성된 비정질 원자 구조이지만 결정립계에서의 전도도가 높아 전체적으로 전도도가 높습니다.^[139] 유리 전해질과 세라믹 전해질 모두 산소를 황으로 대체하여 더 이온 전도성이 있게 만들 수 있습니다. 황의 반지름이 더 크고 편광 능력이 더 높기 때문에 리튬의 전도도가 더 높습니다. 고체 전해질의 전도도는 액체 전해질과 거의 동등하며 대부분 0.1 mS/cm, 10 mS/cm에서 가장 우수합니다.^[140] 표적 전해질 특성을 조정하는 효율적이고 경제적인 방법은 첨가제로 알려진 세 번째 성분을 소량 첨가하는 것입니다.^[141] 첨가제를 소량 첨가함으로써 전해액 시스템의 벌크 특성에 영향을 주지 않으며 목표 특성을 크게 향상시킬 수 있습니다. 시험된 수많은 첨가제들은 (1) SEI 화학적 변화를 위해 사용된 첨가제들, (2) 이온 전도 특성을 향상시키기 위해 사용된 첨가제들, (3) 셀의 안전성을 향상시키기 위해 사용된 첨가제들, (예를 들어, 과충전을 방지하기 위해 사용된 첨가제들)로 구분될 수 있습니다.^{[citation needed]}

리튬 폴리머 배터리와 같은 전해질 대체품도 중요한 역할을 했습니다. 고분자 전해질은 리튬의 덴드라이트 형성을 최소화하는 데 유망합니다. 폴리머는 단락을 방지하고 전도성을 유지하도록 되어 있습니다.^[126]

전해질의 이온은 전해질의 농도에 작은 변화가 있기 때문에 확산됩니다. 선형 확산은 여기에서만 고려됩니다. 시간 t와 거리 x의 함수인 농도 c의 변화는

${\displaystyle {\frac {\partial c}{\partial t}}={\frac {D}{\varepsilon }}{\frac {\partial ^{2}c}{\partial x^{2}}}$

이 식에서 D는 리튬 이온에 대한 확산 계수입니다. LiPF
₆ 전해질에서 7.5×10m⁻¹⁰²/s의 값을 갖습니다. 전해액의 공극률인 ε에 대한 값은 0.724입니다.

형식

리튬 이온 배터리는 여러 개의 서브 유닛으로 구성됩니다. 가장 큰 단위는 배터리 팩이라고도 불리는 배터리 자체입니다. 용도에 따라 여러 개의 배터리 팩을 직렬로 연결하여 전압을 높이는 경우도 있습니다. 각 팩은 직렬과 병렬로 연결된 여러 배터리 모듈로 구성됩니다. 각 모듈은 차례로 병렬로 연결된 여러 개의 셀로 구성됩니다.^[143]

세포

Li-ion cells는 일반적으로 4개의 그룹으로 나눌 수 있는 다양한 모양으로 제공됩니다.^[144]

• 소형 원통형(대부분의 e-bike와 대부분의 전기 자동차 배터리 및 구형 노트북 배터리에 사용되는 단자가 없는 고체 본체). 몇 가지 표준 리튬 이온 실린더 크기가 있습니다.
• 큰 원통형(큰 나사산 단자가 있는 솔리드 바디)
• 납작한 또는 파우치(휴대전화 및 신형 노트북에 사용되는 것과 같은 부드럽고 평평한 본체; 이것들은 리튬 이온 폴리머 배터리입니다.^[145]
• 큰 나사산 단자가 있는 견고한 플라스틱 케이스(전기차 트랙션 팩 등)

원통형의 셀은 특징적인 "스위스 롤"(미국에서는 "젤리 롤"로 알려져 있음) 방식으로 제조됩니다. 즉, 양극, 분리막, 음극 및 분리막이 하나의 스풀에 말려있는 긴 "샌드위치"입니다. 전극이 적층된 셀과 비교하여 원통형 셀의 한 가지 장점은 생산 속도가 더 빠르다는 것입니다. 원통형 셀의 한 가지 단점은 높은 방전 전류에서 성장하는 셀 내부의 큰 반경 온도 구배일 수 있습니다.

케이스의 부재는 파우치 셀에 가장 높은 중량 에너지 밀도를 제공하지만, 많은 실용적인 용도에서는 여전히 SOC(State of Charge) 수준이 높을 때 팽창을 방지하고,^[146] 해당 셀이 속한 배터리 팩의 일반적인 구조적 안정성을 위해 외부 억제 수단을 필요로 합니다. 단단한 플라스틱 셀과 파우치형 셀 모두 직사각형 모양으로 인해 각형 셀로 불리기도 합니다.^[147] Munro & Associates의 배터리 기술 분석가 Mark Ellis는 현대(~2020년) 전기 자동차 배터리에 사용되는 세 가지 기본적인 Li-ion 배터리 유형, 즉 원통형 셀(예: 테슬라), 각형 파우치(예: LG) 및 각형 캔 셀(예: LG, 삼성, 파나소닉 등)의 규모로 보고 있습니다. 각 폼 팩터는 EV 사용에 대한 특징적인 장점과 단점을 가지고 있습니다.^[14]

2011년부터 여러 연구 그룹에서 양극 또는 음극 물질을 수용액 또는 유기 용액에 현탁시키는 리튬 이온 흐름 전지의 시연을 발표했습니다.^[148][149]

2014년 파나소닉은 가장 작은 Li-ion 셀을 만들었습니다. 핀 모양입니다. 지름 3.5mm, 무게 0.6g입니다.^[150] 일반 리튬 배터리와 유사한 코인 셀 폼 팩터는 대개 "LiR" 접두사로 지정된 LiCoO₂ 셀의 경우 2006년부터 사용할 수 있습니다.^[151][152]

건전지

배터리 팩은 연결된 여러 개의 리튬 이온 셀로 구성됩니다. 노트북 컴퓨터와 같은 대형 가전 제품용 배터리 팩에는 온도 센서, 전압 조절 회로, 전압 탭 및 충전 상태 모니터도 포함되어 있습니다. 이 구성 요소는 과열 및 단락과 같은 안전 위험을 최소화합니다.^[153] 전기 자동차와 같은 더 큰 장치에 전원을 공급하려면 직렬 병렬 회로에 많은 소형 배터리를 연결하는 것이 더 효과적입니다^[154].

사용하다

리튬 이온 배터리는 가전 제품, 장난감, 전동 공구 및 전기 자동차의 다양한 용도로 사용됩니다.^[155]

더 많은 틈새 용도에는 통신 애플리케이션의 백업 전력이 포함됩니다. 리튬 이온 배터리는 또한 그리드 에너지 저장을 위한 잠재적인 옵션으로 자주 논의되지만 2020년 기준으로 아직 비용 경쟁력이 없습니다.^[156][157]

성능

비중에너지밀도	100~250W·h/kg (360~900kJ/kg)[158]
체적 에너지 밀도	250~680W·h/L (900~2230J/cm3)[2][159]
비전력밀도	300~1500W/kg(20초 및 285W·h/L에서)[1][failed verification]

리튬이온 배터리는 양극과 음극의 물질이 다양할 수 있기 때문에 그에 따라 에너지 밀도와 전압이 달라집니다.

개방 전압은 수성 배터리(예: 납-산, 니켈-금속 수소화물 및 니켈-카드뮴)보다 높습니다.^{[160][failed verification]} 내부 저항은 사이클링과 나이에 따라 증가하지만,^[161] 이는 배터리가 저장되는 전압과 온도에 따라 크게 달라집니다.^[162] 내부 저항이 높아지면 부하가 가해지면 단자의 전압이 떨어져 최대 전류 인출이 줄어듭니다. 결국 저항이 증가하면 배터리는 허용할 수 없는 전압 강하나 과열 없이는 더 이상 정상적인 방전 전류를 지원할 수 없는 상태가 됩니다.

리튬 인산철 양극과 흑연 음극을 갖는 전지는 공칭 개방 전압이 3.2V이고, 전형적인 충전 전압은 3.6V입니다. 흑연 음극을 갖는 리튬 니켈 망간 코발트(NMC) 산화물 양극은 충전 중 공칭 전압이 3.7V이고, 최대 4.2V입니다. 충전 절차는 전류 제한 회로가 있는 정전압에서 수행됩니다(즉, 셀에서 4.2V의 전압에 도달할 때까지 정전류로 충전하고 전류가 0에 가깝게 떨어질 때까지 정전압으로 계속 충전합니다). 일반적으로 충전은 초기 충전 전류의 3%에서 종료됩니다. 과거에는 리튬 이온 배터리를 급속 충전할 수 없었고 완전히 충전하는 데 최소 2시간이 필요했습니다. 현재 세대의 셀은 45분 이내에 완전히 충전할 수 있습니다. 2015년 연구원들은 2분 만에 68% 용량으로 충전된 600 mAh 용량의 소형 배터리와 5분 만에 48% 용량으로 충전된 3,000 mAh 배터리를 시연했습니다. 후자의 배터리는 에너지 밀도가 620W·h/L입니다. 이 장치는 양극에 있는 흑연 분자와 결합된 헤테로 원자를 사용했습니다.^[163]

제조된 배터리의 성능은 시간이 지남에 따라 향상되었습니다. 예를 들어, 1991년부터 2005년까지 리튬 이온 배터리의 가격당 에너지 용량은 달러당 0.3W·h에서 달러당 3W·h 이상으로 10배 이상 향상되었습니다.^[164] 2011년부터 2017년까지의 기간 동안 진행률은 연평균 7.5%를 기록하고 있습니다.^[165] 전반적으로 1991년에서 2018년 사이에 모든 유형의 리튬 이온 전지(kWh당 달러)의 가격이 약 97%^[166] 하락했습니다. 같은 기간 동안 에너지 밀도는 3배 이상 증가했습니다.^[166] 에너지 밀도를 높이기 위한 노력이 비용 절감에 크게 기여했습니다.^[167]

비슷한 화학적 성질을 가진 다른 크기의 세포도 다른 에너지 밀도를 가질 수 있습니다. 21700 셀은 18650 셀보다 에너지가 50% 더 많고 크기가 클수록 주변으로 열 전달이 줄어듭니다.^[159]

왕복효율

아래 표는 "고에너지" 타입 3.0의 실험 평가 결과입니다.2021년 A 18650 NMC 셀, 셀로 들어가는 에너지와 셀에서 추출되는 에너지를 100%(4.2v) SoC에서 0% SoC(cut off 2.0v)로 비교한 왕복 효율. 왕복 효율은 배터리를 충전하는 데 들어간 에너지와 비교하여 사용할 수 있는 에너지의 백분율입니다.^[168]

크레이트	효율성.	예상 충전 효율	예상 배출 효율
0.2	86%	93%	92%
0.4	82%	92%	90%
0.6	81%	91%	89%
0.8	77%	90%	86%
1.0	75%	89%	85%
1.2	73%	89%	83%

2017년 다른 실험에서 세포의 특성을 분석한 결과, 2C에서는 85.5%, 0.1C에서는^[169] 97.6%의 왕복 효율이 보고되었습니다.

수명

리튬 이온 배터리의 수명은 일반적으로 용량 손실 또는 임피던스 증가 측면에서 고장 임계값에 도달하기 위한 완전한 충방전 사이클의 수로 정의됩니다. 제조업체의 데이터 시트는 일반적으로 "사이클 수명"이라는 단어를 사용하여 정격 배터리 용량의 80%에 도달하기 위한 사이클 수를 기준으로 수명을 지정합니다.^[170] 리튬 이온 배터리를 충전 상태로 단순히 저장하는 것도 용량(사이클링 가능한 Li+의 양)을 감소시키고 셀 저항을 증가시킵니다(주로 양극의 고체 전해질 계면이 지속적으로 성장하기 때문입니다). 달력 수명은 주기 및 비활성 저장 작업을 모두 포함하는 배터리의 전체 수명 주기를 나타내는 데 사용됩니다. 배터리 사이클 수명은 온도, 방전 전류, 충전 전류 및 충전 상태 범위(방전 깊이)를 포함한 다양한 스트레스 요인에 의해 영향을 받습니다.^[171][172] 배터리는 스마트폰, 노트북 및 전기 자동차와 같은 실제 애플리케이션에서 완전히 충전 및 방전되지 않으므로 완전 방전 주기를 통해 배터리 수명을 정의하는 것은 오해의 소지가 있습니다. 이러한 혼란을 방지하기 위해 연구자들은 배터리가 전체 수명 동안 또는 동일한 전체 사이클 동안 전달하는 총 충전량(Ah)으로 정의되는 누적 방전을^[171] 사용하기도 합니다.^[172] 이는 부분 사이클의 합계를 전체 충전-방전 사이클의 분수로 나타냅니다. 보관 중 배터리 성능 저하는 온도 및 배터리 충전 상태(SOC)에 영향을 받으며, 완전 충전(SOC 100%)과 고온(보통 50°C 이상)이 결합되면 용량이 급격히 저하되고 가스가 발생할 수 있습니다.^[173] 배터리 누적 방전량에 정격 공칭 전압을 곱하면 배터리 수명 동안 전달되는 총 에너지를 얻을 수 있습니다. 이를 통해 에너지 kWh당 비용(충전 비용 포함)을 계산할 수 있습니다.

수명이 다하면 배터리가 점차 저하되어 전극에 대한 다양한 화학적 및 기계적 변화로 인해 용량이 감소하고(경우에 따라서는 작동 셀 전압이 낮아짐).^[174]

리튬 이온 배터리에서는 몇 가지 열화 과정이 발생하며, 일부는 사이클링 중, 일부는 저장 중, 일부는 항상 발생합니다.^{[175][176][174]} 열화는 온도에 크게 의존합니다: 상온에서의 열화는 최소이지만 고온(보통 > 35°C) 또는 저온(보통 < 5°C) 환경에서 보관 또는 사용되는 배터리의 경우 증가합니다.^[177] 높은 충전 수준은 용량 손실도 가속화합니다.^[178]

한 연구에서 과학자들은 3D 이미징과 모델 분석을 제공하여 충전 사이클 동안 배터리의 문제가 되는 열화의 주요 원인, 역학 및 잠재적인 완화를 밝혀냈습니다. 그들은 "p]입자 균열이 증가하고 입자와 탄소-바인더 도메인 사이의 접촉 손실이 셀 열화와 상관관계가 있는 것으로 관찰된다"고 발견했으며 "전자 전도의 불균형으로 인한 두꺼운 음극 내 반응 이질성이 사이클링에 따른 배터리 열화의 주요 원인"임을 나타냅니다.^{[179][180][additional citation(s) needed]}

리튬 이온 배터리의 가장 일반적인 분해 메커니즘은 다음과 같습니다.^[181]

1. 음극에서의 유기 카보네이트 전해액의 감소는 Li+ 이온이 비가역적으로 포획되는 SEI(Solid Electrolyte Interface)의 성장을 초래하며, 즉 리튬 재고의 손실을 초래합니다. 이것은 오믹 임피던스가 증가하고 Ah 전하가 감소했음을 보여줍니다. 일정한 온도에서 SEI 막 두께(따라서 SEI 저항 및 사이클 가능한 Li+에서의 손실)는 충전 상태에서 보내는 시간의 제곱근으로 증가합니다. 사이클 수는 이 분해 경로를 특성화하는 데 유용한 지표가 아닙니다. 고온 또는 기계적 손상이 있는 경우 전해액 환원이 폭발적으로 진행될 수 있습니다.
2. 리튬 금속 도금으로 인해 리튬 재고(순환 가능한 Ah 전하)가 손실되고, 배터리 내부 단락 및 점화도 발생합니다. 사이클링 중에 Li 도금이 시작되면 사이클당 용량 손실과 사이클당 저항 증가의 기울기가 커집니다. 이러한 열화 메커니즘은 급속 충전 및 저온에서 더욱 두드러집니다.
3. 용해(예: Mn(3+) 종의 용해, 균열, 박리, 박리 또는 사이클링 중의 단순한 규칙적인 부피 변화로 인한 (음극 또는 양극) 전기 활성 물질의 손실. 충전과 전원이 모두 페이드(저항 증가)되면서 표시됩니다. 양극재와 음극재 모두 반복되는 (탈)리튬화 사이클의 체적 변형률로 인해 파단이 발생합니다.
4. 니켈이 풍부한 재료에서 Li+/Ni2+ 양이온 혼합과 같은 양극 재료의 구조적 열화. 이는 "전극 포화", 사이클 가능한 Ah 전하의 손실 및 "전압 페이드"로 나타납니다.
5. 기타 물질적 저하. 음극 구리 집전체는 특히 낮은 셀 전압에서 부식/용해되기 쉽습니다. PVDF 바인더도 열화되어 전기 활성 물질의 박리 및 사이클 가능한 Ah 전하의 손실을 유발합니다.

이것들은 오른쪽 그림에 나와 있습니다. 한 주 열화 메커니즘에서 다른 주 열화 메커니즘으로의 변화는 용량 대 주기 수 그림에서 무릎(기울기 변화)으로 나타납니다.^[181]

리튬 이온 배터리 노화에 대한 대부분의 연구는 실험을 더 빨리 완료하기 위해 고온(50-60°C)에서 수행되었습니다. 이러한 저장 조건에서 완전히 충전된 니켈-코발트-알루미늄 및 리튬-인산철 전지는 1-2년 동안 순환 가능한 전하의 약 20%가 손실됩니다. 이러한 경우에 있어서 앞에서 언급한 양극노화가 가장 중요한 열화 경로라고 생각됩니다. 반면, 망간 기반 음극은 이러한 조건에서(약 20-50%) 더 빠른 분해를 보이는데, 이는 아마도 Mn 이온 용해의 추가 메커니즘 때문일 것입니다.^[176] 25°C에서는 리튬 이온 배터리의 열화가 50°C에서는 열화와 동일한 경로를 따르는 것으로 보이지만 속도는 절반입니다.^[176] 즉, 제한된 외삽 실험 데이터를 기반으로 리튬 이온 배터리는 25°C에서 3-5년 또는 1000-2000 사이클 동안 사이클 가능한 전하의 20%가 비가역적으로 손실될 것으로 예상됩니다.^[181] 티탄산염 양극이 포함된 리튬 이온 배터리는 SEI 성장을 겪지 않으며 흑연 양극보다 더 오래(>5000 사이클) 지속됩니다. 그러나 완전한 셀에서는 다른 분해 메커니즘(즉, Mn3+의 용해 및 Ni3+/Li+의 장소 교환, PVDF 바인더의 분해 및 입자 분리)이 1000-2000일 후에 나타나며, 티탄산염 양극을 사용한다고 해서 실제로 전체 셀 내구성이 향상되지는 않습니다.

열화상세설명

이러한 메커니즘 중 일부에 대한 보다 자세한 설명은 아래에 나와 있습니다.

(1) 음극(음극) SEI 층은 전해질(에틸렌 카보네이트, 디메틸 카보네이트 등은 있으나 프로필렌 카보네이트는 아님) 환원 생성물에 의해 형성되는 패시베이션 코팅으로서, Li+ 이온 전도를 제공하는 동시에, 전자 전달(따라서 추가적인 용매 환원)을 방지하는 데 필수적입니다. 일반적인 작동 조건에서 음의 SEI 층은 처음 몇 번의 충전(형성 사이클) 후 고정 두께에 도달하여 장치를 수년 동안 작동시킬 수 있습니다. 그러나 고온에서 또는 음극 SEI의 기계적 탈착으로 인해 이러한 발열 전해질 환원은 격렬하게 진행되어 여러 반응을 통해 폭발로 이어질 수 있습니다.^[175] 리튬 이온 배터리는 수백에서^[182] 수천 사이클 동안 용량이 퇴색되기 쉽습니다. SEI가 형성되면 리튬 이온이 소모되어 전극 재료의 전체적인 충방전 효율이 저하됩니다.^[183] 분해 생성물로서 다양한 SEI 형성 첨가제를 전해질에 첨가하여 리튬 이온이 통과할 수 있도록 선택성을 유지하면서 전자를 차단하는 보다 안정적인 SEI 형성을 촉진할 수 있습니다.^[184] 고온 또는 빠른 속도로 셀을 사이클링하면 부분적으로 SEI 또는 리튬 도금의 열화로 인해 Li-ion 배터리의 열화를 촉진할 수 있습니다.^[185] Li-ion 배터리를 80% 이상 충전하면 배터리 성능 저하를 크게 가속화할 수 있습니다.^{[186][187][188][189]}

전해질 및 첨가제에 따라 양극 ^[190]상에 형성되는 SEI층의 공통 성분은 산화리튬, 불화리튬 및 반탄산염(예를 들어, 알킬리튬)의 혼합물을 포함합니다. 높은 온도에서 전해질의 알킬 탄산염은 막 두께를 증가시키는 LiCO와
_2
3 같은 불용성 종으로 분해됩니다. 이는 셀 임피던스를 증가시키고 사이클링 용량을 감소시킵니다.^[177] 전해질 분해에 의해 형성된 가스는 셀의 내부 압력을 증가시킬 수 있으며 모바일 장치와 같은 까다로운 환경에서 잠재적인 안전 문제입니다.^[175] 25 °C 이하에서는 금속 리튬을 양극에 도금한 후 전해액과 반응하면 사이클 가능한 리튬이 손실됩니다.^[177] 확장 저장은 필름 두께의 점진적인 증가와 용량 손실을 유발할 수 있습니다.^[175] 4.2 V 이상의 충전은 양극에 Li⁺ 도금을 시작하여 비가역적 용량 손실을 발생시킬 수 있습니다.

전해질 분해 메커니즘에는 가수분해 및 열분해가 포함됩니다.^[175] 10 ppm 이하의 농도에서 물은 전해질, 양극 및 음극에 영향을 미칠 수 있는 많은 분해 생성물을 촉매하기 시작합니다.^[175] LiPF는
₆ LiF 및 PF와
₅ 평형 반응에 참여합니다. 전형적인 조건에서 평형은 멀리 왼쪽에 있습니다. 그러나 물의 존재는 불용성 전기 절연 생성물인 상당한 LiF를 생성합니다. LiF는 양극 표면에 결합하여 막 두께를 증가시킵니다.^[175] LiPF
₆ 가수분해는 물과 같은 전자가 풍부한 종과 반응하는 강한 Lewis 산인 PF를
₅ 생성합니다. PF는
₅ 물과 반응하여 불산(HF)과 인 옥시플루오라이드를 형성합니다. 인 옥시플루오라이드는 차례로 반응하여 추가적인 HF와 디플루오로하이드록시인산을 형성합니다. HF는 단단한 SEI 필름을 깨지기 쉬운 필름으로 바꿉니다. 그러면 음극에서 탄산염 용매는 시간이 지남에 따라 음극 산화물로 확산되어 열을 방출하고 열 폭주를 일으킬 수 있습니다.^[175] 전해질 염의 분해 및 염과 용매 간의 상호작용은 70 °C의 낮은 온도에서 시작됩니다. 높은 온도에서 상당한 분해가 발생합니다. 85 °C에서 DMC와 반응하는 EC로부터 디메틸-2,5-다이옥사헥산 카르복실레이트(DDOHC)와 같은 에스테르 교환 생성물이 형성됩니다.^[175]

배터리는 충전 또는 방전 시, 특히 높은 전류에서 열을 발생시킵니다. 전기 자동차에 사용되는 것과 같은 대형 배터리 팩은 일반적으로 15°C(59°F)에서 35°C(95°F) 사이의 온도를 유지하는 열 관리 시스템을 갖추고 있습니다.^[191] 파우치와 원통형 셀 온도는 방전 전류에 선형적으로 의존합니다.^[192] 내부 환기가 잘 되지 않으면 온도가 상승할 수 있습니다. 여러 개의 셀로 구성된 대형 배터리의 경우 온도가 균일하지 않고 열화가 가속화될 수 있습니다.^[193] 대조적으로, LiFe의 달력 수명은PO
₄ 셀은 높은 충전 상태의 영향을 받지 않습니다.^[194][195]

리튬 이온 배터리의 포지티브 SEI 층은 네거티브 SEI보다 훨씬 덜 이해됩니다. 이온 전도도가 낮은 것으로 판단되며 사이클링 및 캘린더 에이징 시 음극의 계면 저항 증가로 나타납니다.^{[175][176][174]}

(2) 리튬 도금은 특정 조건이 음극재의 구조 내에 삽입되는 것이 아니라 금속성 리튬이 전지 음극 표면에 형성되어 증착되는 현상입니다. 저온, 과충전 및 높은 충전 속도는 이러한 현상을 악화시킬 수 있습니다.^[196][197] 이러한 조건에서 리튬 이온은 음극 재료에 균일하게 삽입되지 않고 표면에 덴드라이트 형태의 리튬 이온 층을 형성할 수 있습니다. 덴드라이트는 작은 바늘 모양의 구조물로 분리막이 쌓이고 뚫려 합선으로 인해 열폭주가 시작될 수 있습니다.^[175] 이러한 빠르고 제어되지 않는 에너지 캐스케이드는 배터리 팽창, 열 증가, 화재 및 폭발로 이어질 수 있습니다.^[198] 또한, 이러한 수지상 성장은 전해질과의 부반응을 유발하고, 새로운 도금 리튬을 전기화학적으로 불활성인 데드 리튬으로 변환시킬 수 있습니다.^[196] 또한, 리튬 도금에 의한 수지상 성장은 리튬 이온 배터리의 성능을 저하시키고, 사이클링 효율 저하 및 안전상의 위험을 초래할 수 있습니다. 리튬 도금과 수지상 성장을 완화하는 몇 가지 방법은 온도를 제어하고 충전 조건을 최적화하며 사용되는 재료를 개선하는 것입니다.^[199] 온도 측면에서 최적의 충전 온도는 0°C에서 45°C 사이이지만 상온(20°C에서 25°C)도 이상적입니다.^[200] 재료 혁신의 발전은 전해질 선택과 도금에 대한 양극 저항을 개선하는 데 많은 연구와 개발을 필요로 합니다. 이러한 재료 혁신 중 하나는 플루오로에틸렌 카보네이트(FEC)와 같은 다른 화합물을 전해질에 첨가하여 풍부한 LiF SEI를 형성하는 것입니다.^[201] 또 다른 새로운 방법은 분리막이 이러한 덴드라이트를 형성하기 전에 본질적으로 리튬 이온을 "죽이는" 보호 실드로 코팅하는 것입니다.^[202]

(3) 음극을 포함하는 특정 망간은 Hunter 분해 메커니즘에 의해 분해되어 망간 용해 및 양극에서의 환원을 초래할 수 있습니다.^[175] LiMnO에
_2
4 대한 Hunter 메커니즘에 의해, 불산은 표면 3가 망간의 불균형을 통해 망간의 손실을 촉매하여 4가 망간 및 가용성 2가 망간을 형성합니다.^[175]

2Mn³⁺ → Mn²⁺+ Mn⁴⁺

스피넬의 물질적 손실은 용량 감소를 초래합니다. 50°C의 낮은 온도는 리튬 및 구리 도금과 동일한 효과를 갖는 금속 망간으로서 양극에 Mn²⁺ 증착을 시작합니다.^[177] 이론적인 max 및 min voltage plate 위를 순환하면 방전 중 Mn이⁴⁺³⁺ Mn으로 감소할 때 발생하는 Jahn-Teller 왜곡을 통해 결정 격자를 파괴합니다.^[175] 3.6 V 이상으로 충전된 배터리를 저장하면 음극에 의한 전해질 산화가 시작되고 음극에 SEI층 형성이 유도됩니다. 양극과 마찬가지로 과도한 SEI 형성은 절연체를 형성하여 용량 감소 및 불균일한 전류 분포를 초래합니다.^[175] 2 V 미만에서 보관하면 LiCoO
₂ 및 LiMnO
_2
4 음극의 분해 속도가 느려지고 산소가 방출되며 비가역적인 용량 손실이 발생합니다.^[175]

(4) 양이온 혼합은 Ni이 풍부한 양극 재료의 용량 감소의 주요 원인입니다. NCM 층상 물질의 Ni 함량이 증가함에 따라 용량이 증가할 것이며, 이는 Ni2+/Ni4+ 산화환원 반응의 2전자(Mn은 4+ 상태에서 전기화학적으로 비활성 상태를 유지하고 있음을 유의하십시오)의 결과이지만, Ni 함량이 증가하면 이온 반경(Li+ = 0.076 nm 및 Ni2+ = 0.069 nm)의 근접성으로 인해 Ni2+ 및 Li+ 양이온이 상당한 정도로 혼합됩니다. 충방전 사이클링 동안, 캐소드 내의 Li+는 쉽게 추출될 수 없고, Li층 내의 Ni2+의 존재는 Li+의 확산을 차단하여, 용량 손실 및 Ohmic 저항 증가를 모두 초래합니다.^[203]

(5) 또한 2V 미만으로 방전하면 구리 양극 집전체가 용해되어 충전 시 치명적인 내부 단락이 발생할 수 있습니다.

추천 사항

IEEE 표준 1188–1996에서는 충전 용량이 공칭 값의 80%로 감소할 때 전기 자동차에서 리튬 이온 배터리를 교체할 것을 권장합니다.^[204] 다음에서는 20% 용량 손실을 서로 다른 연구 간의 비교 포인트로 사용합니다. 그럼에도 불구하고, 우리는 열화의 선형 모델(주기당 또는 달력 시간당 전하 손실의 일정한 %)이 항상 적용되는 것은 아니며, 기울기의 변화로 관찰되고 주요 열화 메커니즘의 변화와 관련된 "무릎 지점"이 종종 관찰된다는 점에 주목해야 합니다.^[205]

안전.

리튬이온 배터리 안전성에 대한 문제는 1991년 이 배터리들이 처음 상업적으로 출시되기 전부터 인식되어 왔습니다. 리튬 이온 배터리 화재 및 폭발의 두 가지 주요 원인은 음극(캐소드)의 공정과 관련이 있습니다. 일반 배터리 충전 중 리튬 이온이 흑연으로 삽입됩니다. 그러나 충전 속도가 너무 빠른(또는 너무 낮은 온도에서) 리튬 금속이 양극에 도금을 시작하고, 그 결과 발생한 덴드라이트가 배터리 분리막을 관통하여 셀 내부를 단락시켜 높은 전류, 가열 및 점화가 발생할 수 있습니다. 다른 메커니즘에서는, 음극 온도가 70°C를 초과하는 특정 임계치를 초과하는 경우, 개방 회로에서도 전하 음극 재료(LiC6)와 용매(액체 유기 탄산염) 사이의 폭발적인 반응이 발생합니다.^[206]

오늘날 모든 평판이 좋은 제조업체는 18650 포맷 이상의 모든 리튬 이온 배터리에 전류 차단 장치(CID) 장치와 PTC 장치 두 개 이상의 안전 장치를 사용합니다. CID는 서로 전기적으로 접촉하는 두 개의 금속 디스크로 구성됩니다. 셀 내부의 압력이 증가하면 두 디스크 사이의 거리도 증가하여 서로 간의 전기 접촉이 끊어져 배터리를 통한 전류 흐름이 종료됩니다. PTC 소자는 전기 전도성 고분자로 제작되었습니다. PTC 소자를 통과하는 전류가 증가하면 폴리머가 뜨거워지고 전기 저항이 급격히 증가하여 배터리를 통과하는 전류가 감소합니다.^[207]

산불조심

리튬 이온 배터리는 가연성 전해질을 포함하고 있으며 손상될 경우 가압될 수 있기 때문에 안전에 위험이 될 수 있습니다. 배터리 셀이 너무 빨리 충전되면 단락이 발생하여 과열, 폭발 및 화재로 이어질 수 있습니다.^[208] Li-ion 배터리 화재는 (1) 열 남용(예: 냉각 불량 또는 외부 화재), (2) 전기 남용(예: 과충전 또는 외부 단락), (3) 기계적 남용(예: 관통 또는 충돌), 또는 (4) 내부 단락(예: 제조 결함 또는 노후화)으로 인해 발생할 수 있습니다.^[209][210] 이러한 위험 때문에 산-전해질 배터리의 경우보다 시험 기준이 더 엄격하여 보다 광범위한 시험 조건과 추가적인 배터리별 시험이 모두 필요하며, 안전 규제 기관에 의해 부과되는 배송 제한이 있습니다.^{[66][211][212]} 2016년 삼성 갤럭시노트7 배터리 화재 리콜을 비롯해 일부 업체의 배터리 관련 리콜이 있었습니다.^[213][214]

리튬 이온 배터리는 인화성 액체 전해질을 가지고 있습니다.^[215] 배터리 결함은 심각한 화재를 유발할 수 있습니다.^[208] 불량 충전기는 배터리의 보호 회로를 파괴할 수 있기 때문에 배터리의 안전에 영향을 미칠 수 있습니다. 0°C 미만의 온도에서 충전하는 동안 셀의 음극은 순수 리튬으로 도금되어 전체 팩의 안전성이 손상될 수 있습니다.

배터리가 단락되면 셀이 과열되어 화재가 발생할 수 있습니다.^[216] Li-ion 배터리의 열폭주로 인한 연기는 가연성이면서 독성이 있습니다.^[217] 코발트-산화물 전지의 화재 에너지 함량(전기+화학적)은 100~150kJ/(A·h) 정도로 대부분 화학적입니다.^{[unreliable source?][218]}

2010년경 일부 항공기의 시스템 전원을 공급하기 위해 다른 화학 물질 대신 대형 리튬 이온 배터리가 도입되었습니다. 2014년^[update] 1월 현재 보잉 787 여객기에서 최소 4번의 심각한 리튬 이온 배터리 화재, 즉 연기가 발생했는데, 이 화재는 충돌을 일으키지 않았지만 충돌을 일으킬 가능성이 있었습니다.^[219][220] UPS 항공 6편이 배터리 탑재물이 자연 발화한 후 두바이에 추락했습니다.

화재 위험을 줄이기 위해 연구 프로젝트는 불연성 전해질을 개발하기 위한 것입니다.

손상 및 과부하

리튬이온전지가 손상되거나 찌그러지거나 과충전 보호 기능이 없는 상태에서 더 높은 전기 부하를 받게 되면 문제가 발생할 수 있습니다. 외부 단락은 배터리 폭발을 유발할 수 있습니다.^[221]

과열되거나 과충전될 경우, Li-ion 배터리는 열폭주 및 셀 파열을 겪을 수 있습니다.^[222][223] 열폭주 중에는 내부 분해 및 산화 과정을 통해 셀 온도를 500°C 이상으로 유지할 수 있으며, 2차 가연물을 점화할 수 있을 뿐만 아니라 극단적인 경우 누출, 폭발 또는 화재로 이어질 수 있습니다.^[224] 이러한 위험을 줄이기 위해 많은 리튬 이온 셀(및 배터리 팩)에는 셀당 전압이 3~4.2V의 안전 범위를 벗어나거나 ^[111][75]과충전 또는 방전 시 배터리를 분리하는 페일 세이프 회로가 포함되어 있습니다. 효과적인 배터리 관리 회로가 없는 리튬 배터리 팩은 공급업체나 최종 사용자에 의해 구성되었든 간에 이러한 문제에 취약합니다. 배터리 관리 회로가 제대로 설계되지 않았거나 구현되지 않은 경우에도 문제가 발생할 수 있습니다. 특정 배터리 관리 회로가 제대로 구현되었는지 확신하기 어렵습니다.

전압제한

리튬 이온 셀은 2.5~3.65/4.1/4.2 또는 4.35V 사이의 안전한 전압 범위를 벗어나서 스트레스를 받기 쉽습니다(셀의 구성 요소에 따라 다름). 이 전압 범위를 초과하면 조기 노화가 발생하고 셀의 반응성 구성 요소로 인해 안전 위험이 발생합니다.^[225] 장기간 보관할 경우 보호 회로의 전류 소모가 적어 배터리가 차단 전압 이하로 방전될 수 있습니다. 그러면 배터리 관리 시스템(BMS)이 이 배터리(또는 충전기)의 "고장" 기록을 유지할 수 있기 때문에 일반 충전기는 무용지물일 수 있습니다. 많은 종류의 리튬 이온 셀은 0°C 이하에서는 안전하게 충전할 수 없으며,^[226] 이로 인해 셀의 양극에 리튬이 도금되어 내부 단락 경로와 같은 합병증이 발생할 수 있습니다.^{[citation needed]}

각 셀에는 다음과 같은 다른 안전^{[by whom?]} 기능이 필요합니다.^[111]

• 차단 분리기(과열용)
• Tear-away 탭(내부 압력 완화용)
• 환기구(심한 아웃가스 발생시 압력완화)
• 열차단(과전류/과부하/환경노출)

음극은 사용 중에 열을 발생시키고 양극은 산소를 발생시킬 수 있기 때문에 이러한 기능이 필요합니다. 그러나 이러한 추가 장치는 셀 내부의 공간을 차지하고 고장 지점을 추가하며 활성화 시 셀을 비가역적으로 비활성화할 수 있습니다. 또한, 이러한 기능은 수소/산소 재결합 장치와 백업 압력 밸브만 필요한 니켈 금속 하이드라이드 배터리에 비해 비용을 증가시킵니다.^[75] 세포 내부의 오염 물질은 이러한 안전 장치를 물리칠 수 있습니다. 또한, 이러한 특징들은 모든 종류의 셀에 적용될 수 없습니다. 예를 들어, 각기둥(prismatic) 고전류 셀은 벤트(vent) 또는 서멀 인터럽트(thermal interrupt)를 구비할 수 없습니다. 고전류 전지는 고장이 발생하지 않도록 과도한 열이나 산소를 발생시켜서는 안 됩니다. 폭력적일 수 있습니다. 대신 양극과 음극이 열 한계에 도달하기 전에 작동하는 내부 열 퓨즈를 장착해야 합니다.^{[citation needed]}

리튬 이온 배터리의 리튬 코발트 산화물 양극 물질을 리튬 철 인산염(LFP)과 같은 리튬 금속 인산염으로 대체하면 사이클 수, 저장 수명 및 안전성은 향상되지만 용량은 낮아집니다. 2006년 현재, 이러한 안전한 리튬 이온 배터리는 안전이 중요한 전기 자동차 및 기타 대용량 배터리 응용 분야에 주로 사용되었습니다.^[227]

리콜

2006년에는 Dell, Sony, Apple, Lenovo, Panasonic, Toshiba, Hitachi, Fujitsu 및 Sharp 노트북에 사용된 약 1천만 개의 Sony 배터리가 리콜되었습니다. 배터리는 제조 중 금속 입자에 의해 내부 오염에 취약한 것으로 나타났습니다. 어떤 상황에서는 이러한 입자가 분리막을 관통하여 위험한 단락을 유발할 수 있습니다.^[228]

IATA는 매년 10억 개 이상의 리튬 금속 및 리튬 이온 전지가 비행하는 것으로 추정하고 있습니다.^[218] 일부 종류의 리튬 배터리는 화재 위험 때문에 항공기에서 금지될 수 있습니다.^[229][230] 일부 우편 관리는 리튬 및 리튬 이온 배터리의 항공 운송(EMS 포함)을 별도로 제한하거나 장비에 설치합니다.

불연성 전해질

2023년에 대부분의 상용 Li-ion 배터리는 음극에서 고체 전해질의 상간 형성을 보장하기 위해 알킬카보네이트 용매를 사용했습니다. 이러한 용매는 쉽게 가연성이기 때문에 불연성 용매로 대체하거나 화재 억제제를 첨가하려는 연구가 활발히 진행되어 왔습니다. 또 다른 위험원은 알루미늄으로 제조된 음극 집전체를 통과시키는 데 필요한 헥사플루오로인산염 음이온입니다. 헥사플루오로인산염은 물과 반응하여 휘발성 및 독성 불화수소를 방출합니다. 헥사플루오로인산염을 대체하려는 노력은 덜 성공적이었습니다.

공급망

1990년대 미국은 세계 최대 리튬 광물 채굴국으로 전체 생산량의 1/3을 차지했습니다. 2010년까지 칠레는 살라 데 아타카마(Salar de Atacama) 지역의 리튬 염수 개발 덕분에 미국을 제1의 광부로 대체했습니다. 2024년까지 호주와 중국은 칠레에 3대 광부로 합류했습니다. Li-ion 배터리 생산도 집중되어 있는데, 2024년에는 60%가 중국에서 생산됩니다.^[235]

환경영향

리튬, 니켈, 코발트의 추출, 용매의 제조 및 채굴 부산물은 심각한 환경 및 건강 위험을 나타냅니다.^{[236][237][238]} 리튬 추출은 수질 오염으로 인해 수중 생물에 치명적일 수 있습니다.^[239] 지표수 오염, 식수 오염, 호흡기 문제, 생태계 황폐화, 경관 훼손 등을 유발하는 것으로 알려져 있습니다.^[236] 또한 건조한 지역의 지속 불가능한 물 소비(리튬 1톤당 190만 리터)로 이어집니다.^[236] 리튬 추출의 대규모 부산물 발생은 또한 다량의 마그네슘 및 석회 폐기물과 같은 해결되지 않은 문제를 제시합니다.^[240]

리튬 채굴은 북미와 남미, 아시아, 남아프리카, 호주, 중국에서 이루어집니다.^[241]

Li-ion 배터리용 코발트는 콩고에서 주로 채굴됩니다(콩고 민주 공화국의 광산업 참조).

Li-ion 배터리 1kg을 제조하는 데는 약 67메가줄(MJ)의 에너지가 필요합니다.^[242][243] 리튬 이온 배터리 제조의 지구 온난화 잠재력은 채굴 및 제조 작업에 사용되는 에너지원에 크게 의존하며 추정하기 어렵지만 2019년 한 연구에서는 73kg CO2e/kWh로 추정했습니다.^[244] 효과적인 재활용은 생산의 탄소 발자국을 크게 줄일 수 있습니다.^[245]

고형 폐기물 및 재활용

철, 구리, 니켈 및 코발트를 포함한 리튬 이온 배터리 요소는 소각로 및 매립지에 안전한 것으로 간주됩니다.^{[246][citation needed]} 이 금속들은 ^[247][248]보통 다른 재료들을 태워서 재활용할 수 있지만,^[249] 채굴은 일반적으로 재활용보다 저렴합니다.^[250] 재활용은 kg당 $3의 비용이 들 수 있으며,^[251] 2019년에는 리튬 이온 배터리의 5% 미만이 재활용되었습니다.^[252] 2018년부터 재활용 수율을 크게 높였고, 리튬, 망간, 알루미늄, 전해질의 유기 용매, 흑연의 회수가 산업적 규모에서 가능합니다.^[253] 세포의 건설에 관련된 가장 비싼 금속은 코발트입니다. 리튬은 사용되는 다른 금속보다 가격이 저렴하고 재활용이 거의 되지 ^[249]않지만 재활용은 미래의 부족을 막을 수 있습니다.^[247]

배터리 폐기물의 축적은 기술적인 문제와 건강상의 위험을 초래합니다.^[254] 리튬 이온 배터리의 생산은 전기 자동차의 환경 영향에 큰 영향을 미치기 때문에 폐기물의 용도 변경을 위한 효율적인 방법의 개발이 매우 중요합니다.^[252] 재활용은 폐기 전 배터리 보관을 시작으로 수동 테스트, 분해, 마지막으로 배터리 구성 요소의 화학적 분리에 이르는 여러 단계의 공정입니다. 배터리의 재사용은 공정에서 구현된 에너지가 적기 때문에 완전한 재활용보다 선호됩니다. 이러한 배터리는 타이어 고무와 같은 고전적인 차량 폐기물보다 훨씬 더 반응성이 높기 때문에 중고 배터리를 비축하는 데 상당한 위험이 있습니다.^[255]

파이로메탈리커버리

파이로메탈 수술법은 고온로를 이용하여 전지 내 금속 산화물의 성분을 Co, Cu, Fe 및 Ni의 합금으로 환원시키는 방법입니다. 이는 가장 일반적이고 상업적으로 확립된 재활용 방법이며 다른 유사한 배터리와 결합하여 제련 효율을 높이고 열역학을 개선할 수 있습니다. 금속 집전체는 제련 과정을 도와 전지나 모듈 전체를 한 번에 녹일 수 있습니다.^[256] 이 방법의 제품은 금속 합금, 슬래그 및 가스를 수집한 것입니다. 고온에서는 배터리 셀을 함께 고정하는 데 사용되는 폴리머가 연소되고 금속 합금은 하이드로메탈 수술 프로세스를 통해 별도의 구성 요소로 분리될 수 있습니다. 슬래그는 시멘트 산업에서 더욱 정제되거나 사용될 수 있습니다. 공정은 비교적 위험이 없으며 폴리머 연소로 인한 발열 반응으로 필요한 입력 에너지가 감소합니다. 그러나 그 과정에서 플라스틱, 전해질 및 리튬염이 손실됩니다.^[257]

하이드로메탈 금속 매립

이 방법에는 음극에서 원하는 금속을 제거하기 위해 수용액을 사용하는 것이 포함됩니다. 가장 일반적인 시약은 황산입니다.^[258] 침출률에 영향을 미치는 요인으로는 산의 농도, 시간, 온도, 고액비, 환원제 등이 있습니다.^[259] HO가₂₂ 환원제 역할을 하여 반응을 통한 침출 속도를 높인다는 것이 실험적으로 증명되었습니다.^{[citation needed]}

2 LiCoO + 3 HSO + HO → 2 CoSO + LiSO + 4 HO + O

침출되면 용액의 pH 수준을 변경하여 조절된 침전 반응을 통해 금속을 추출할 수 있습니다. 그러면 가장 비싼 금속인 코발트는 황산염, 옥살산염, 수산화물 또는 탄산염의 형태로 회수할 수 있습니다. [75] 보다 최근의 재활용 방법은 침출된 금속에서 음극을 직접 재현하는 실험을 하고 있습니다. 이러한 절차에서 다양한 침출된 금속의 농도를 타겟 음극과 일치하도록 미리 측정한 다음 음극을 직접 합성합니다.^[260]

그러나 이 방법의 주요 문제점은 다량의 용매가 필요하고 중화 비용이 많이 든다는 것입니다. 배터리를 파쇄하기 쉽지만 초기에 음극과 음극을 혼합하면 공정이 복잡하기 때문에 분리도 필요합니다. 불행히도 현재 배터리 설계로 인해 공정이 매우 복잡해지고 폐루프 배터리 시스템에서 금속을 분리하기가 어렵습니다. 파쇄 및 용해는 다른 위치에서 발생할 수 있습니다.^[261]

직접재활용

직접 재활용은 전극에서 음극이나 양극을 제거하고 재생한 후 새 배터리에 재사용하는 것입니다. 혼합 금속-산화물은 결정 형태의 변화가 거의 없이 새로운 전극에 추가될 수 있습니다. 이 프로세스는 일반적으로 사이클링으로 인한 열화로 인한 음극 내 리튬 손실을 보충하기 위해 새로운 리튬을 추가하는 것을 포함합니다. 해체된 배터리에서 음극 스트립을 얻은 다음 NMP에 담근 다음 초음파 처리를 하여 과잉 침전물을 제거합니다. 어닐링 전에 LiOH/LiSO가₂₄ 포함된 용액으로 수열처리를 합니다.^[262]

이 방법은 원료가 비용의 대부분을 차지하지 않기 때문에 비코발트계 배터리에 매우 비용 효율적입니다. 직접 재활용하면 시간이 많이 걸리고 비용이 많이 드는 정제 단계를 피할 수 있으므로 LiMnO₂₄ 및 LiFe와 같은 저가 음극에 매우 적합합니다.PO₄. 이러한 저렴한 음극의 경우 대부분의 비용, 내장 에너지 및 탄소 발자국이 원료보다는 제조와 관련되어 있습니다.^[263] 직접 재활용하면 깨끗한 흑연과 유사한 특성을 재현할 수 있음을 실험적으로 보여줍니다.

이 방법의 단점은 배터리가 방전된 상태에 있습니다. 비교적 건전지가 건전한 경우에는 직접 재활용을 하면 저렴하게 특성을 회복할 수 있습니다. 그러나 충전 상태가 낮은 배터리의 경우 직접 재활용은 투자 가치가 없을 수 있습니다. 또한 프로세스는 특정 양극 조성에 맞춰져야 하며, 따라서 프로세스를 한 번에 한 가지 유형의 배터리로 구성해야 합니다.^[264] 마지막으로, 배터리 기술이 급속도로 발전하고 있는 시대에, 현재의 배터리 설계는 더 이상 바람직하지 않을 수 있으며, 이는 직접적인 재활용의 효율성을 떨어뜨릴 수 있습니다.

인권영향

리튬 이온 배터리의 원료 추출은 현지인들, 특히 육지에 기반을 둔 토착민들에게 위험을 초래할 수 있습니다.^[265]

콩고 민주 공화국에서 조달한 코발트는 작업자들이 안전 예방 조치가 거의 없는 수공구를 사용하여 채굴하는 경우가 많아 부상자와 사망자가 자주 발생합니다.^[266] 이 광산들의 오염은 사람들을 선천적 장애와 호흡 곤란을 일으키는 것으로 보건 당국이 믿고 있는 독성 화학 물질에 노출시켰습니다.^[267] 인권 운동가들은 이 광산들에서 아동 노동이 사용된다고 주장했고, 조사 저널리즘은 확인을 보도했습니다.^{[268][269][270]}

아르헨티나의 리튬 추출 회사와 원주민들 사이의 관계에 대한 연구는 국가가 사전에 그리고 사전에 정보에 근거한 동의를 받을 수 있는 원주민들의 자유로운 권리를 보호하지 않았을 수도 있다고 지적했습니다. 그리고 추출 회사들이 일반적으로 정보에 대한 커뮤니티 접근을 통제하고 프로젝트와 이익 공유에 대한 논의 조건을 설정했습니다.^[271]

미국 네바다주의 태커패스 리튬 광산 개발은 사전에 사전에 정보에 근거한 동의를 무료로 제공받지 못했으며 이 프로젝트가 문화와 성지를 위협한다고 주장하는 여러 원주민 부족의 항의와 소송에 직면했습니다.^[272] 자원 추출과 실종되고 살해된 원주민 여성 사이의 연관성은 또한 지역 사회가 이 프로젝트가 원주민 여성에게 위험을 조성할 것이라는 우려를 표명하도록 만들었습니다.^[273] 시위 참가자들은 2021년 1월부터 광산 제안 부지를 점거하고 있습니다.^[274][275]

조사.

연구자들은 이러한 배터리의 전력 밀도, 안전성, 사이클 내구성(배터리 수명), 충전 시간, 비용, 유연성 등의 특성과 연구 방법 및 용도를 개선하기 위해 적극적으로 노력하고 있습니다. 전고체 배터리는 기술 장벽의 돌파구로 연구되고 있습니다. 현재 전고체 배터리는 가장 유망한 차세대 배터리가 될 것으로 예상되며, 다양한 기업들이 대중화를 위해 노력하고 있습니다.

참고 항목

• 무음극 배터리
• 블레이드 배터리
• 붕산옥살레이트
• 상용 배터리 종류 비교
• 유럽 배터리 동맹
• 플로우 배터리
• 나노선 배터리
• 나트륨이온전지
• 전고체전지
• 박막 리튬이온전지
• VRLA 배터리
• 울티움

참고문헌

원천

외부 링크

• æ디아 브리태니커 백과사전의 리튬이온 배터리.
• 세계 최대 리튬이온 배터리 공장 목록 (2020).
• NREL(National Renewable Energy Laboratory)의 에너지 저장 안전.
• 더 효율적인 새로운 리튬 이온 배터리 뉴욕 타임즈. 2021년 9월.
• NREL Innovation, 전기 자동차 배터리의 안전성 향상, NREL, 2015년 10월.
• 리튬이온 배터리의 열화 메커니즘 및 수명 예측, NREL, 2015년 7월.
• NREL, 2013년 3월, 차량용 대형 포맷 Li-ion 배터리에 대한 온도 극한의 영향.