2차전지의 원리와 구성 요소전지의 원리 전지는 화학 물질의 자발적인 산화, 환원 반응에서 발생하는 전자를 이용하여 전기 에너지를 생성하는 기기를 말한다. Show 전하가 잘 이동할 수 있는 공간(전해질)에 극성이 서로 다른 물질을 분리시켜 놓으면, 산화가 더 잘되는 물질에서 전자가 분리되어 전극을 타고 상대적으로 산화 반응이 느린 물질로 이동하여 환원을 일으킨다. 여기서 산화 반응이 일어나는 극을 음극이라고 하고, 환원 반응이 일어나는 극을 양극이라고 한다. 그리고 전자가 들어오는 극을 Cathode, 전자가 나가는 극을 Anode라고 한다. 이러한 전기화학반응에 한 방향으로만 일어나는 전지를 1차 전지라고 하고, 양 방향으로 일어나는 전지를 2차 전지라고 한다. 2차 전지는 방전된 전지에 외부 전원을 연결하여 다시 사용이 가능한 상태로 충전할 수 있는 전지를 말한다. 대표적인 2차 전지인 리튬 이온 배터리의 작동 원리를 살펴보면 음극에 있던 리튬 이온은 산화 반응을 거치면서 전해액을 통해 양극으로 이동하고, 그 과정에서 발생하는 전자의 이동을 통해 전기를 생성해낸다. 이후, 음극에서 리튬 이온이 모두 빠져나가 더 이상 전기를 생산할 수 없는 방전 상태가 된다. 이때, 외부 전원을 이용하여 음극으로 전자를 공급하면 면 양극에 붙어있던 리튬 이온이 다시 분리되며 음극으로 이동한다. 그리고 이러한 과정을 충전이라고 한다. 2차 전지의 구성 요소2차 전지의 구성요소는 크게 양극, 음극, 전해액, 분리막으로 나눌 수 있다. (1) 양극배터리를 충전하기 위해 전원을 연결하면 양극에서 산화되어 분리된 리튬 이온들이 전해질을 타고 이동하여 음극에 저장된다. 양극을 구성하고 있는 리튬 산화물과 같은 전극 반응에 관여하는 물질을 활물질이라고 하는데, 어떠한 종류의 활물질을 어떠한 구조로 배치했느냐에 따라 저장되는 전자의 수가 달라지기 때문에 배터리의 용량과 평균 전압을 결정한다. 대표적인 양극 활물질은 LCO, NCM, NCA, LMO, LFP 등이 있다 (L: 리튬, C: 코발트, O: 산소, N: 니켈, M: 망간, A: 알루미늄, F: 철, P: 인산). 각 물질의 화학적 특성에 따라 전지의 출력 특성과 용량이 결정되어 화합 물질의 적절한 조합이 필요하다. 우리나라의 배터리 업체들이 주요 사용하는 활물질은 NCM, NCA로 에너지 밀도와 출력 측면에서 우수한 성능을 가져 전기자동차용 배터리에 많이 사용된다. 하지만, 니켈의 불안정한 특성 때문에 화재 등의 위험이 있기 때문에 추가적인 안정장치로 이러한 불안정성 잘 제어해야 된다. 반면, 중국 배터리 업체들이 주요 사용하는 활물질은 LFP로 출력 측면과 용량 측면에서는 불리하지만 높은 안정성을 가진다는 장점이 있다. (2) 음극음극은 외부 전원으로 인한 배터리 충전으로 양극에서 이동한 리튬 이온을 저장하고, 전기 에너지가 필요할 때 이를 방출하여 전류를 흐르게 역할을 한다. 이때 높은 배터리 수명을 위해서 음극은 리튬 이온을 많이 저장할 수 있고 구조적으로 안정적이며 낮은 화학 반응성을 가져야 하기 때문에 현재는 구조적으로 안전한 흑연을 가장 주된 재료로 사용하고 있다. 이때, 전지의 충전과 방전이 거듭되면 리튬 이온의 탈착이 반복되 흑연 분자 구조가 점점 팽창된다. 그리고 이러한 흑연 구조의 팽창으로 전지의 수명이 점차 감소한다. (3) 전해액전해액은 리튬 이온이 월할하게 이동하게 하는 물질로 양극과 음극을 공간적으로 분리시켜 전자가 직접적인 반응이 일어나지 못하게 하는 역할을 한다. 배터리가 작동되는 동안 예기치 못한 부반응으로 인해 전지의 성능을 저하시키지 않기 위해서 전해액은 전기적, 화학적으로 안정되어야 한다. (4) 분리막양극과 음극이 접촉하면 전자를 직접 교환하여 전기를 생성하지 못하고 열만 발생하여 안정성에 위험이 있다. 이를 방지하기 위해 분리막은 전해액 내부에 설치되어 양극과 음극의 활물질이 직접적으로 접촉하는 것을 방지한다. 이러한 역할을 하는 분리막은 그 안정성을 위해 절연 특징을 가져야 하며 기계적 강도가 높아야 한다. 그리고 높은 이온 전도성을 위해서 다공성 구조를 지녀야 하며, 그 구멍들의 크기가 균일해야 한다. 또한, 배터리의 온도 상승으로 인한 분리막 쇼트 현상을 방지하기 위해 일정 온도 이상이 되면 자동으로 구멍을 막는 Shut-down 기능이 있어야 한다. Presentation on theme: "휴대폰 배터리의 원리 - 리튬-이온 배터리- 기계공학부 200120312 허정욱."— Presentation transcript: 1 휴대폰 배터리의
원리 - 리튬-이온 배터리- 기계공학부 허정욱
2 목차 주제 선정 이유 1차 전지, 2차 전지 원리 소개 리튬-이온 전지 소개 리튬-이온 전지의 장점과 단점
3 주제 선정 이유 막연하게
휴대폰 배터리의 원리에 대한 궁금증 삼성SDI, BMW에 2차 전지 공급
4 전지의 원리 Cathode(음극), Anode(양극), 전해질로 구성 두 전극 사이에 격리판 을 끼워 전극간 접촉 방지
5 1차·2차 전지 소개 1차 전지의 예 – 알칼리 전지 음극(Zn), 양극(MnO2),
전해질(KOH)
6 2차전지 원리 전기 에너지를 가해 역반응(충전)을 일으킴. 다시 자발적인 산화 환원 반응을 시작함. 7
리튬-이온전지(Lithium-ion Battery) 8
9 휴대폰, PDA, 슬림 노트북에 사용
10 리튬-이온전지 장점 중량 당 에너지(Energy density)가 크다 : 100~160Wh/kg → 경량화 가능 Ni-MH(30~80Wh/kg), Ni-Cd(40~60Wh/kg) 기전력이 크다 : Ni-Cd 전지 전력의 3배(3직렬과 동일) 메모리효과가 없다 자기 방전율이 낮다 : 0.1%/1달 Ni-MH(30%), Ni-Cd(10%) 자기 방전 500회 이상 충전/방전이 가능, 급속 충전 가능
11 리튬-이온 전지 단점 제조된 직후부터 낙후가 발생. 전지용량·전해질의 양이 감소되어 수명이 2~3년 정도
12 국내 기업의 배터리 산업의 동향 삼성SDI와 독일 BOSCH社가 공동 출자하여 SB Limotive 설립. BMW 차세대 전기자동차 2차전지를 독점 공급. 2013~2020년 계약. LG화학은 1월 미국GM의 전기자동차 2차전지 단독 공급업체로 선정. 7월에는 현대기아차의 아반테 하이브리드카 전지 단독 공급. SK에너지 HEV(Hybrid Electric Vehicle) 시장에서 일본과 격차 줄어듬
13 출처 Wikipedia http://en.wikipedia.org/wiki/Lithium-ion_battery 14 감사합니다 |
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