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리튬 이온 電池

노키아 3310 携帶電話 의 리튬 이온 電池.
비에너지	100?265 W·h / kg [1] [2] (0.36?0.875 MJ/kg)
에너지 密度	250?693 W·h / L [3] [4] (0.90?2.43 MJ/L)
比出力	~ 250-~340 W/kg [1]
充電/放電 效率性	80?90% [5]
에너지/消費者 價格	3.6 Wh / US$ [6]
自己 放電 速度	0.35 % ~ 2.5 % /月 (充電 狀態에 따라) [7]
循環 耐久力	400?1,200 사이클 [8]
名目 셀 電壓	3.6 / 3.7 / 3.8 / 3.85 V , LiFePO4 3.2 V

리튬 이온 電池 (-電池, Lithium-ion battery, Li-ion battery)는 二次 電池 의 一種으로 放電 過程에서 리튬 이온 이 陰極 에서 陽極 으로 移動하는 電池 이다. ^[9] 充電 詩에는 리튬 이온이 陽極 에서 陰極 으로 다시 移動하여 제자리를 찾게 된다. 리튬 이온 電池는 充電 및 再使用이 不可能한 一次 電池 人 리튬 電池 와는 다르며, 電解質 로서 固體 폴리머 를 利用하는 리튬 이온 폴리머 電池 와도 다르다.

리튬 이온 電池는 에너지 密度 가 높고 記憶 效果 가 없으며, 使用하지 않을 때에도 自家放電 이 일어나는 程度가 작기 때문에 市中의 携帶用 電子 機器들에 많이 使用되고 있다. 이 外에도 에너지密度가 높은 特性을 利用하여 房産業이나 自動化시스템, 그리고 航空産業 分野에서도 漸漸 그 使用 頻度가 增加하는 趨勢이다. ^[10] 그러나 一般的인 리튬 이온 電池는 잘못 使用하게 되면 爆發할 念慮가 있으므로 注意해야 한다.

리튬 이온 電池는 크게 陽極, 陰極, 電解質의 세 部分으로 나눌 수 있는데, 다양한 種類의 物質들이 利用될 수 있다. 商業的으로 가장 많이 利用되는 陰極 材質은 黑鉛 이다. 陽極에는 層商議 리튬코발트酸化物 (lithium cobalt oxide)과 같은 酸化物 , 燐酸鐵리튬 (lithium iron phosphate, LiFePO ₄ )과 같은 폴리陰이온 , 리튬망간 酸化物 , 스피넬 等이 쓰이며, 初期에는 二黃化티탄 (TiS ₂ 도 쓰였다. ^[11] 陰極, 兩極과 電解質로 어떤 物質을 使用하느냐에 따라 電池의 電壓 과 壽命, 容量, 安定性 等이 크게 바뀔 수 있다. 最近에는 나노技術 을 應用한 製作으로 電池의 性能을 높이고 있다.

電池의 容量은 mAh (밀리암페어時) 또는 Ah(암페어시)로 標示하는데, 携帶폰에 使用하는 電池는 3000~4000mAh가 가장 많이 쓰이며, 스마트폰 에는 1500~5000mAh도 使用된다. 노트북에 使用되는 電池는 2400~5500mAh가 가장 많이 使用된다.

歷史 [ 編輯 ]

리튬 이온 電池는 美國 뉴욕 빙엄턴 大學校 의 스탠리 휘팅嚴 敎授와 엑슨 에 依해 1970年代 에 처음 提案되었다. ^[12] 휘팅嚴 敎授는 二黃化티탄을 兩極으로, 金屬 리튬을 陰極으로 使用하였다. 以後 1980年 에 라시드 夜自美 를 筆頭로 하는 그르노블 工科大學 (INPG)과 프랑스 國立 科學 硏究센터 의 硏究陣에 依해 黑鉛 內에 揷入된 리튬 元素의 電氣化學的 性質이 밝혀졌다. 그들은 리튬과 폴리머 電解質, 黑鉛으로 이루어진 半쪽 電池 構造에 對한 實驗을 통하여 黑鉛에 리튬 元素가 可逆的으로 揷入됨을 밝혀냈고, 1982年 과 1983年 에 該當 硏究 內容이 出版되었다. ^{[13] [14]} 이 硏究는 리튬의 黑鉛 內 可逆的 揷入에 關해 熱力學 的인 內容과 이온 擴散에 關聯된 動力學 的인 內容을 모두 包含하고 있다.

旣存의 리튬 電池는 陰極이 金屬 리튬으로 이루어져 있었고, 그 때문에 安全性이 낮았다. 따라서 리튬 이온 電池는 金屬의 리튬 덩어리가 아니라 리튬 이온을 包含하는 物質을 陰極과 陽極으로 使用하는 方向으로 開發되었다. 1981年 벨 硏究所 에서는 리튬 電池에 金屬 리튬 代身 使用 可能한 黑鉛 陰極을 開發하여 特許를 獲得하였다. ^[15] 그 後 존 구디너프 가 이끄는 硏究팀이 새로운 兩極을 開發 ^[16] 함으로써 비로소 1991年 소니 에 依해 最初의 商業的 리튬 이온 電池가 出市되었다. 當時의 배터리는 層狀 構造의 酸化物( 리튬코발트酸化物 )을 利用하였으며, 當時 家電製品 分野에 革命을 일으켰다.

1983年 태커레이(Michael Thackeray)와 구디너프 等이 망간 으로 이루어진 스피넬 을 陽極 物質로 使用할 수 있음을 發見하였다. ^[17] 스피넬은 價格이 싸고 電氣傳導度 와 리튬 이온 傳導度가 優秀하며 構造的으로 安定的이기 때문에 매우 脚光받았다. 비록 純粹한 망간으로 이루어진 스피넬은 反復되는 使用으로 인해 性能이 低下되지만, 이러한 點은 스피넬을 構成하는 化學 元素에 變化를 줌으로써 解決할 수 있다. ^[18] 망간 스피넬은 오늘날 商業的인 리튬 이온 電池들에 使用되고 있다. ^[19]

그리고 1985年 에 도시바 의 미즈시마 고이치(水島公一)는 最初로 리튬 이온 電池의 正極 材料를 開發하였다. 이 成果를 살려, 같은 해 아사히 카세이 의 요시노 아키라 가 現在 쓰이는 리튬 이온 電池에 가까운 原形을 만들어내었다. ^[20]

1989年 텍사스 大學校 오스틴 의 萬티람(Arumugam Manthiram)과 구디너프는 폴리陰이온을 含有하는 兩極이 誘導 效果를 갖기 때문에 酸化物을 使用하는 兩極보다 더 높은 電壓을 낼 수 있음을 發見하였다. ^[21] 이를 바탕으로 1990年末 소니 의 니시 요시오(西美?)는 처음으로 리튬 이온 電池의 開發에 成功했고 ^[22] , 이듬해 1991年 소니 는 리튬 이온 電池를 大量生産하여 商用化했다.

1996年 파디(Akshaya Padhi), 구디너프 等은 燐酸鐵리튬과 橄欖石 結晶構造를 갖는 因山金屬界 리튬을 리튬 이온 電池의 兩極 物質로 使用할 수 있음을 發見했다. ^[23] 燐酸鐵리튬은 여느 陽極 物質과 比較해도 低廉한 價格과 뛰어난 安全性, 性能, 그리고 安定的인 作動 性能을 보였다. 리튬 燐酸鐵은 庫房戰, 急速充電에는 弱하나, 0.5C 에서는 安全性을 要求하는 에너지 貯藏 裝置로서 適合하다. 燐酸鐵리튬은 오늘날 노트북 컴퓨터 와 같은 携帶用 電子機器 等에 널리 使用되고 있다.

2002年 MIT 의 치앙(Yet-Ming Chiang)과 그 硏究팀은 電極에 알루미늄 이나 니오브 , 또는 지르코늄 을 도핑 함으로써 電氣傳導度를 크게 增加시켜 리튬 이온 電池의 性能을 極大化할 수 있다는 것을 發見하였다. 그러나 이 도핑 處理에 依해 性能이 向上되는 原理가 實際로 어떻게 되는지에 對해서는 많은 論爭이 있다. ^[24]

2004年 치앙의 硏究팀은 또 다른 技術을 開發하는데, 100 나노미터 의 지름을 갖는 燐酸鐵 粒子를 電極에 도핑하는 것이다. 이를 통하여 密度가 100分의 1 以下로 減少하였고 電極의 表面的과 電池의 容量이 增加하는 效果를 얻었다. 燐酸鐵을 利用하는 技術의 商業化는 熾烈한 市場 競爭을 낳았고, 또한 치앙과 구니너프 間의 特許 侵害 紛爭을 惹起했다. ^[24]

充電 [ 編輯 ]

리튬 이온 電池의 充電 過程은 크게 두 段階로 이루어진다.

1. 정전류 過程: 充電器가 日程 電流를 維持하도록 電壓을 漸次的으로 올려가면서, 限界電壓에 이를 때까지 電流를 供給하는 過程이다.
2. 정전압 過程: 電池가 限界電壓에 이르면 一定 電壓을 維持하면서 電流가 門턱값보다 낮아질 때까지 電流를 供給하는 過程이다. 普通 門턱 電流값은 初期 電流값의 約 3% 程度이다.

電池가 多衆 셀로 構成되어 있는 境遇, 等電流 過程과 等電壓 過程 사이에 各 셀이 모두 同一한 電壓값을 갖도록 調整하는 過程이 追加된다.

普通 리튬 이온 電池는 셀當 4.2 ± 0.05 V 程度의 電壓으로 充電되고, 電池 壽命이 重要한 軍用 電池는 3.92 V를 利用한다. 電池의 保護回路는 入力 電壓이 4.3V以上이면 入力을 遮斷한다. 배터리의 電壓이 셀 黨 2.5V 以下로 내려가면 保護回路가 停止되므로 一般 充電器로는 더 以上 充電을 할 수 없다. 大部分의 電池는 셀當 2.7-3V 程度에서 作動을 停止한다. ^[25]

같이 보기 [ 編輯 ]

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리튬 이온 電池

• 리튬 電池
• 二次 電池
• 리튬이온 重合體 電池

各州 [ 編輯 ]

外部 링크 [ 編輯 ]

• “리튬 이온 電池” . 《 네이버캐스트 》.