리튬 이온 배터리 또는 리튬 이온 배터리(LIB로 약칭)는 충전식 배터리 유형입니다.리튬 이온 배터리는 일반적으로 휴대용 전자 제품 및 전기 자동차에 사용되며 군사 및 항공 우주 응용 분야에서 인기가 높아지고 있습니다.프로토타입 리튬 이온 배터리는 1970년대에서 1980년대 동안 John Goodenough, M. Stanley Whittingham, Rachid Yazami 및 Koichi Mizushima의 초기 연구를 기반으로 1985년 Akira Yoshino에 의해 개발되었습니다. 1991년 니시 요시오가 이끄는 Sony와 Asahi Kasei 팀. 2019년에는 "리튬 이온 배터리 개발"로 Yoshino, Goodenough 및 Whittingham에게 노벨 화학상이 수여되었습니다.

배터리에서 리튬 이온은 방전 시 전해질을 통해 음극에서 양극으로 이동하고 충전 시 다시 이동합니다.리튬 이온 배터리는 양극에 삽입된 리튬 화합물을 재료로 사용하고 일반적으로 음극에 흑연을 사용합니다.배터리는 높은 에너지 밀도, 메모리 효과(LFP 셀 제외) 및 낮은 자체 방전이 있습니다.그러나 가연성 전해질이 포함되어 있기 때문에 안전상의 위험이 있을 수 있으며 손상되거나 잘못 충전되면 폭발 및 화재가 발생할 수 있습니다.삼성전자는 리튬이온 화재로 갤럭시노트7 단말기를 리콜해야 했고, 보잉 787 기종에서 배터리 관련 사고가 수차례 발생했다.

화학, 성능, 비용 및 안전 특성은 LIB 유형에 따라 다릅니다.휴대용 전자 제품은 주로 리튬 코발트 산화물(LiCoO2)을 양극 물질로 사용하는 리튬 폴리머 배터리(전해질로 폴리머 겔 사용)를 사용합니다. 이 배터리는 높은 에너지 밀도를 제공하지만 특히 손상될 경우 안전 위험이 있습니다.리튬 철 인산염(LiFePO4), 리튬 망간 산화물(LiMn2O4, Li2MnO3 또는 LMO) 및 리튬 니켈 망간 코발트 산화물(LiNiMnCoO2 또는 NMC)은 에너지 밀도가 낮지만 수명이 길고 화재 또는 폭발 가능성이 적습니다.이러한 배터리는 전동공구, 의료기기 및 기타 역할에 널리 사용됩니다.NMC 및 그 파생물은 전기 자동차에 널리 사용됩니다.

리튬 이온 배터리의 연구 분야에는 수명 연장, 에너지 밀도 증가, 안전성 향상, 비용 절감, 충전 속도 증가 등이 있습니다.대표적인 전해질에 사용되는 유기용매의 가연성과 휘발성을 기반으로 안전성을 높이기 위한 방안으로 불연성 전해질 분야에 대한 연구가 진행되고 있다.전략에는 수성 리튬 이온 배터리, 세라믹 고체 전해질, 고분자 전해질, 이온성 액체 및 고도로 불소화된 시스템이 포함됩니다.

배터리 대 셀

전지는 전극, 분리막 및 전해질을 포함하는 기본적인 전기화학 단위입니다.

배터리 또는 배터리 팩은 하우징, 전기 연결 및 제어 및 보호를 위한 전자 장치가 있는 셀 또는 셀 어셈블리의 모음입니다.

애노드 및 캐소드 전극
충전식 전지의 경우 양극(또는 음극)이라는 용어는 방전 주기 동안 산화가 일어나는 전극을 나타냅니다.다른 전극은 음극(또는 양극)입니다.충전 주기 동안 양극은 양극이 되고 음극은 음극이 됩니다.대부분의 리튬 이온 전지에서 리튬 산화물 전극은 양극입니다.티타네이트 리튬 이온 전지(LTO)의 경우 리튬 산화물 전극이 음극입니다.

역사

배경

Varta 리튬 이온 배터리, Museum Autovision, Altlussheim, 독일
리튬 배터리는 1970년대에 Exxon에서 근무하면서 현재 Binghamton 대학에 재학 중인 영국 화학자이자 2019년 노벨 화학상 공동 수상자인 M. Stanley Whittingham이 제안했습니다.Whittingham은 티타늄(IV) 황화물과 리튬 금속을 전극으로 사용했습니다.그러나 이 충전식 리튬 배터리는 결코 실용화될 수 없었습니다.이황화티타늄은 완전히 밀봉된 조건에서 합성해야 하고 가격도 상당히 비쌌기 때문에 잘못된 선택이었습니다(1970년대 이황화티타늄 원료의 경우 킬로그램당 ~$1,000).공기에 노출되면 이황화티타늄이 반응하여 황화수소 화합물을 형성합니다. 이 화합물은 불쾌한 냄새가 나고 대부분의 동물에게 유독합니다.이것과 다른 이유로 Exxon은 Whittingham의 리튬-티타늄 이황화 배터리 개발을 중단했습니다.[28]금속 리튬 전극이 있는 배터리는 리튬 금속이 물과 반응하여 가연성 수소 가스를 방출하기 때문에 안전 문제가 있었습니다.결과적으로 금속 리튬 대신 리튬 화합물만 존재하여 리튬 이온을 수용 및 방출할 수 있는 배터리를 개발하는 연구가 진행되었습니다.

흑연의 가역적 삽입과 음극 산화물로의 삽입은 1974~76년 뮌헨 공과대학의 JO Besenhard에 의해 발견되었습니다.Besenhard는 리튬 전지에서의 응용을 제안했습니다.전해질 분해 및 흑연으로의 용매 동시 삽입은 배터리 수명에 대한 심각한 초기 결점이었습니다.

개발

1973 – Adam Heller는 이식된 의료 기기 및 20년 이상의 저장 수명, 높은 에너지 밀도 및/또는 극한의 작동 온도에 대한 내성이 요구되는 방위 시스템에 여전히 사용되는 리튬 티오닐 클로라이드 배터리를 제안했습니다.
1977 - Samar Basu는 펜실베니아 대학에서 흑연에 리튬의 전기화학적 삽입을 시연했습니다.이것은 Bell Labs(LiC6)에서 리튬 금속 전극 배터리에 대한 대안을 제공하기 위해 작동 가능한 리튬 삽입 흑연 전극의 개발로 이어졌습니다.
1979 – Ned A. Godshall et al., 그리고 얼마 지나지 않아 John B. Goodenough(Oxford University)와 Koichi Mizushima(Tokyo University)는 별도의 그룹으로 작업하여 리튬을 사용하여 4V 범위의 전압을 갖는 충전식 리튬 전지를 시연했습니다. 이산화코발트(LiCoO2)를 양극으로, 리튬 금속을 음극으로 사용합니다.이 혁신은 초기 상용 리튬 배터리를 가능하게 하는 양극 재료를 제공했습니다.LiCoO2는 리튬 이온의 공여체 역할을 하는 안정적인 양극 물질로, 리튬 금속 이외의 음극 물질과 함께 사용할 수 있습니다.안정적이고 다루기 쉬운 음극 재료의 사용을 가능하게 함으로써 LiCoO2는 새로운 충전식 배터리 시스템을 가능하게 했습니다.Godshall et al.는 스피넬 LiMn2O4, Li2MnO3, LiMnO2, LiFeO2, LiFe5O8, LiFe5O4와 같은 삼원 화합물 리튬 전이 금속 산화물의 유사한 값을 추가로 확인했습니다.
1980 – Rachid Yazami는 흑연에서 리튬의 가역적인 전기화학적 층간삽입을 시연하고 리튬 흑연 전극(양극)을 발명했습니다.당시 사용 가능한 유기 전해질은 흑연 음극으로 충전하는 동안 분해됩니다.Yazami는 전기화학적 메커니즘을 통해 리튬이 흑연에 가역적으로 삽입될 수 있음을 입증하기 위해 고체 전해질을 사용했습니다.2011년 현재 Yazami의 흑연 전극은 상업용 리튬 이온 배터리에서 가장 일반적으로 사용되는 전극입니다.
음극은 1980년대 초 야마베 토키오와 야타 슈즈쿠니가 발견한 PAS(폴리아세닉 반도체 재료)에 그 기원을 두고 있습니다.이 기술의 씨앗은 시라카와 히데키 교수와 그의 그룹에 의한 전도성 고분자의 발견으로, Alan MacDiarmid와 Alan J. Heeger 등이 개발한 폴리아세틸렌 리튬 이온 배터리에서 출발했다고 볼 수도 있습니다.
1982 - Godshall 외.Godshall의 Stanford University Ph.D.를 기반으로 LiCoO2를 리튬 배터리의 음극으로 사용하는 방법으로 미국 특허 4,340,652를 취득했습니다.논문 및 1979년 간행물.
1983 - Michael M. Thackeray, Peter Bruce, William David 및 John Goodenough는 리튬 이온 배터리용으로 상업적으로 관련된 충전된 음극 재료로 망간 스피넬을 개발했습니다.
1985년 – Akira Yoshino는 한 전극으로 리튬 이온을 삽입하고 다른 전극으로 리튬 코발트 산화물(LiCoO2)을 삽입할 수 있는 탄소질 재료를 사용하여 프로토타입 전지를 조립했습니다.이를 통해 안전성이 크게 향상되었습니다.LiCoO2는 산업 규모의 생산을 가능하게 하고 상용 리튬 이온 배터리를 가능하게 했습니다.
1989년 - Arumugam Manthiram과 John B. Goodenough는 다중음이온 계열의 음극을 발견했습니다.그들은 다중음이온(예: 황산염)을 포함하는 양극이 다중음이온의 유도 효과로 인해 산화물보다 높은 전압을 생성한다는 것을 보여주었습니다.이 다중음이온 계열은 인산철리튬과 같은 물질을 포함합니다.

< 계속…>