리튬 이온 배터리는 어떻게 작동합니까?

전기 에너지의 운반체이자 많은 기기의 전원인 리튬 이온 배터리는 우리에게 필수적이라고 말할 수 있습니다. 그것 없이는 우리의 세상이 제대로 작동하지 않을 것입니다. 그렇다면 리튬이온 배터리는 무엇일까요? 그리고 무엇이 그렇게 중요한가요?

리튬 이온 배터리란 무엇이며 어떻게 작동합니까?

리튬 이온 배터리는 충전식 배터리로 주로 양극과 음극 사이의 리튬 이온 이동에 의존합니다. 충방전 과정에서 Li+는 두 전극 사이에 인터칼레이션 및 디인터칼레이션된다. 충전시 Li +는 양극에서 디인터칼레이션 된 다음 전해질을 통해 음극에 매립되어 음극은 리튬이 풍부한 상태가됩니다. 방전할 때는 그 반대입니다.

리튬 배터리는 리튬 배터리와 리튬 이온 배터리로 나눌 수 있습니다. 우리는 휴대전화나 노트북과 같은 일상 생활용품에 리튬 이온 배터리를 사용하지만 일반적으로 대신 리튬 배터리라고 부릅니다. 일반적으로 리튬 배터리는 리튬이 함유된 재료를 전극으로 사용하므로 현대 고성능 배터리의 아이콘이 됩니다. 실제 리튬 배터리는 높은 안전 위험 때문에 일상 생활에서 거의 사용되지 않습니다.

리튬 이온 배터리의 장점과 단점

장점

• 고전압. 단일 셀의 작동 전압은 Ni-Cd 및 Ni-MH 배터리의 3배인 3.7-3.8V(리튬 철 인산염의 경우 3.2V)로 높습니다.
• 큰 비에너지. 실제 비에너지는 약 555Wh/kg이며, 이는 재료의 비용량이 150mAh/g(Ni-Cd의 3-4배, Ni-MH의 2-3배) 이상에 도달할 수 있음을 의미합니다. 이는 이론값의 88%에 가깝습니다.
• 긴 주기 수명. 일반적으로 충전의 500배 이상 또는 1000배 이상에 도달할 수 있으며 인산철 리튬은 2000배 이상에 도달할 수 있습니다.
• 작은 자체 방전 . 상온에서 완전히 충전된 리튬 이온은 한 달 동안 보관한 후 자체 방전율이 약 2%로 Ni-Cd(25~30%) 및 Ni-MH( 30-35%).
• 빠른 충전 1C의 용량은 30분 충전 후 공칭 용량의 80% 이상에 도달할 수 있으며, 인철 배터리의 경우 10분 동안 공칭 용량의 90%에 도달할 수 있습니다.
• 작동 온도. 작동 온도는 -25 ~ 45 °C입니다. 전해액과 양극의 개선으로 -40~70°C까지 확대될 전망입니다.

단점

• 쉽게 늙어갑니다. 다른 충전식 배터리와 달리 리튬 이온 배터리의 용량은 천천히 감소합니다. 감소율은 사용 횟수와 온도에 따라 다릅니다. 고온은 파괴적일 수 있으므로(배터리 재료가 분해됨) 작동 전류가 높은 전자 제품에 이 기능을 구현하기가 더 쉽습니다.
• 과충전에 대한 편협함 . 과충전되면 과도하게 내장된 리튬 이온이 격자에 영구적으로 고정되어 방출되지 않아 배터리 수명이 단축됩니다.
• 과방전 불내성. 과방전 시 전극이 너무 많은 리튬 이온을 디인터칼레이션하여 격자가 붕괴되고 배터리 수명이 단축됩니다.
• 안전 문제. 리튬 이온 배터리에 사용되는 유기 전해질로 인해 배터리는 연소 또는 폭발과 같은 특정 안전 위험이 있습니다.

응용 프로그램

현재 리튬 이온 배터리는 다음과 같은 분야에서 주로 사용됩니다.

전자 제품에 적용 

리튬 이온 배터리는 더 작고 가볍게 만들 수 있어 휴대용 전자 제품에 널리 사용됩니다. 휴대전화, 디지털 카메라, 캠코더, 노트북 및 휴대용 게임기(PSP)의 대중화로 리튬 이온 배터리 시장은 빠른 성장을 유지했습니다.

수송 차량에 적용

리튬 이온 배터리는 에너지 밀도와 전력 밀도가 좋은 장점이 있습니다. 종합적으로 말하면 다른 배터리보다 성능이 뛰어나서 전기자전거, 전기자동차 등 다양한 전기자동차에 널리 사용되고 있습니다.

항공우주 분야의 적용  

2004년에는 화성 착륙선과 탐사선에 리튬 이온 배터리가 사용되었습니다. 또한 NASA의 우주탐사국(Space Exploration Agency) 및 기타 우주 기관에서는 우주 임무에 리튬 이온 배터리 사용을 고려하고 있습니다. 현재 항공 분야에서 리튬 이온 배터리의 주요 기능은 발사 및 비행 수정 및 지상 운용을 지원하는 것입니다.

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