리튬이온 전지 동작원리
리튬이온 전지는 양극과 음극 사이를 리튬이온이 왕복하며 충방전하는 이차 전지다. 리튬이온이 통로를 오가며 에너지를 저장하고 다시 내보낸다. 인터칼레이션, 유기 전해액, 분리막, 열폭주, SEI 층이 핵심 키워드다. 리튬이온 전지는 양극, 음극, 전해질, 분리막의 네…
주요 장면
대본
정의
리튬이온 전지는 양극과 음극 사이를 리튬이온이 왕복하며 충방전하는 이차 전지다.
리튬이온이 통로를 오가며 에너지를 저장하고 다시 내보낸다.
인터칼레이션, 유기 전해액, 분리막, 열폭주, SEI 층이 핵심 키워드다.
구조와 원리
리튬이온 전지는 양극, 음극, 전해질, 분리막의 네 요소로 이루어진다.
리튬이온은 전해질과 분리막을 거쳐 양극과 음극 사이를 왕복한다.
전자는 외부 회로를 따라 이동하여 전기를 공급한다. 이 흐름이 곧 전류가 된다.
원리는 인터칼레이션이다. 리튬이온이 격자 빈틈에 들어가고 나와도 격자 골격은 거의 유지된다.
전극 반응식
충전 반응을 전극별로 나누어 보자. 양극의 리튬이온이 전해질 쪽으로 빠져나온다.
양극에서는 코발트가 산화되어 Co3+가 Co4+로 바뀐다.
음극에서는 리튬이온이 흑연 층 사이에 삽입되어 LiC6 형태가 된다.
리튬이온 자체는 산화되지 않고 두 전극을 오갈 뿐이다.
계산 예제
셀 에너지는 공칭 전압에 공칭 용량을 곱해 구한다. 여기서 E는 Wh 단위다.
전압 3.7V, 용량 3.0Ah인 셀의 에너지는 11.1Wh다.
셀 100개를 직렬로 연결하면 전압은 370V이고, 총 에너지는 약 1.11kWh다.
왕복 효율은 방전 전력량을 충전 전력량으로 나눠 구한다. 10kWh 충전, 9kWh 방전이면 90%다.
양극 계열 비교
양극 활물질에 따라 리튬이온전지는 여러 계열로 나뉘며 계열마다 특성이 다르다.
LCO는 에너지 밀도가 높지만 열안정성은 낮다. 공칭 전압은 약 3.6~3.7V다.
LFP는 공칭 전압이 약 3.2V이고 열안정성이 가장 좋다. 그래서 ESS에 많이 쓰인다.
LCO와 삼원계는 에너지 밀도가 높아 휴대용 기기와 전기자동차에 쓰인다. 리튬이온전지의 왕복 효율은 납축전지보다 높다.
열폭주 위험
리튬이온전지의 단점은 열폭주 위험과 전해질의 가연성이다.
과충전, 과방전, 외부 충격, 고온이 겹치면 SEI 층 붕괴에서 시작될 수 있다.
이어서 분리막이 용융되고 내부 단락이 생기면 열폭주로 이어질 수 있다.
그래서 열폭주는 단순한 과열이 아니라 온도 단계별 진행 과정으로 써야 한다.
정리
마지막으로 핵심을 정리한다.
방전과 충전은 리튬이온과 전자의 이동 방향이 서로 반대다.
ESS에 쓸 때는 스프링클러, 배출설비, 감지기, 설치 거리 같은 기준을 조건과 함께 쓴다.