리튬 망간 배터리 편집하기

'''리튬 망간 배터리'''<!--리튬망간 배터리, 리튬망간배터리-->는 [[망간]] 산화물을 [[양극재]]로 사용하는 [[리튬이온 배터리]]이다. 일반적으로 '''리튬이온 망가니즈 배터리'''<!--리튬이온 망간 배터리-->(lithium-ion manganese batteries) 또는 '''망간 스피넬'''(manganese spinel)이라고 불린다. 영어 약자를 사용하여, '''[[LMO]]'''(Lithium Manganese Oxide) 배터리라고도 부른다. 리튬 망간 배터리는 1980년대에 발견되었지만 리튬 망간을 양극재로 만든 최초의 상용 리튬이온 배터리는 1996년에 생산되었다.  [[LiCoO₂]]와 같은 상용화된 2차전지 기술과 동일한 인터칼레이션/디칼레이션 메커니즘을 통해 작동한다. 

리튬 망간 배터리(LMO)는 [[리튬 코발트 배터리]](LCO)에서 양극재인 [[코발트]]를 [[망간]]으로 바꾼 배터리라고 생각하면 쉽다. 망간은 코발트에 비해 가격이 매우 싸며, 망간 광산이 고루 분포한 편이라 공급 불안정에 대한 우려도 크지 않다. 리튬 망간 배터리(LMO)는 [[리튬인산철]](LFP) 배터리와 장단점이 비슷하다. 가격 매력과 안정성이 높은 반면, [[에너지 밀도]]가 낮다. [[리튬인산철]] 배터리는 중국 전기차·배터리 시장에서라도 높은 비중을 점하고 있지만, 리튬 망간 배터리(LMO)의 경우 전기차용 배터리 시장에서 인기를 얻지 못하고 있다. SNE리서치에 따르면 리튬 망간 배터리는 현재 전기차용 배터리 산업에서 주로 블렌딩, 즉 다른 소재들을 섞는 데 첨가하는 용도로 쓰이고 있다. 리튬 망간 배터리(LMO)는 [[NCM]] 등 [[하이니켈]] 양극재와 블렌딩돼, 안정성을 보완하는 역할을 한다.<ref>박민규 기자, 〈[https://www.econovill.com/news/articleView.html?idxno=413890 ER궁금증 이차 전지의 핵심, 양극재는 무엇?]〉, 《이코노믹리뷰》, 2020-10-03</ref>  

== 화합물 ==
=== 리튬 망간 산화물(LMO, LiMnO2) ===
리튬 망간 산화물(LMO LiMnO2)은 나머지 두 양극 소재(LCO, LNO) 대비 훨씬 저렴하며 우수한 열적 안정성을 가진 양극 소재이다. 하지만 이 물질은 열역학적으로 안정한 상태의 물질이 아니라 통상 사용하는 고온 열처리 공정의 적용이 어려워 이온 치환공정을 통해 합성해야 한다. 이러한 합성 공정의 특수성 때문에 전기화학적 활성이 떨어져 충전 및 방전 과정에서 리튬이온의 탈리와 삽입이 제한적이라는 단점이 있다. 이는 문제는 망간이 산화환원 반응에 직접 참여할 수 없기 때문에 일어나는 현상으로 알려져 있다.<ref name="양극">이호림, 〈[https://luvlyday.tistory.com/99 리튬이온배터리 양극 활물질에 대해]〉, 《티스토리》, </ref>

[[파일:다양한 구조를 가지는 리튬망간 산화물.png|썸네일|800픽셀|가운데|다양한 구조를 가지는 리튬망간 산화물]] 

=== 스피넬 화합물(LiMn₂O ₄) ===
[[파일:리튬망간 구조.png|썸네일|300픽셀|오른쪽|리튬망간 구조]]
[[파일:순수한 리튬 망간 배터리의 스냅 샷.png|썸네일|300픽셀|오른쪽|리튬 망간 배터리의 스냅 샷]]
망간 스피넬이 포함된 리튬이온은 1983년 세계적인 논문 학술지인 머티어리얼 리서치 블리틴(Materials Research Bulletin)에 처음 발표되었다. 1996년 캐나다의 전지회사인 몰리에너지(Moli Energy)는 리튬 망간 산화물을 양극 재료로 사용한 리튬이온 배터리를 상용화했다. 이 아키텍처는 전극의 이온 흐름을 개선하는 3차원 스피넬 구조를 형성하여 내부 저항을 낮추고 전류 처리를 개선한다. 스피넬의 또 다른 장점은 높은 열 안정성과 향상된 안전성이지만 주기 및 달력 수명이 제한된다.

낮은 내부 셀 저항으로 고속 충전 및 고전류 방전이 가능하다. 18650 패키지에서 리튬-망간은 적당한 열 축적과 함께 20-30A의 전류로 방전 될 수 있다. 최대 50A의 1초 부하 펄스를 적용 할 수도 있다. 이 전류에서 지속적으로 높은 부하가 발생하면 열이 축적되고 셀 온도는 80°C (176° F)를 초과 할 수 없다. 리튬 망간은 전동 공구, 의료 기기, 하이브리드 및 전기 자동차에 사용된다.

오른쪽 그림은 리튬-망간 배터리의 음극에 3차원 결정 프레임 워크의 형성을 보여준다. 일반적으로 격자로 연결된 다이아몬드 모양으로 구성된 이 스피넬 구조는 초기 형성 후에 나타난다.

리튬 망간 산화물의 음극 결정 형성은 초기 형성 후 나타나는 3차원 골격 구조를 가지고 있다. 스피넬은 낮은 저항을 제공하지만 코발트보다 더 적당한 비 에너지를 가지고 있다. 리튬 망간은 리튬 코발트보다 약 3분의 1 정도 낮은 용량을 가지고 있다. 설계 유연성을 통해 엔지니어는 최적의 수명(수명), 최대 부하 전류(비 전력) 또는 고용량(비 에너지)을 위해 배터리를 최대화 할 수 있다. 예를 들어, 18650 셀의 긴 수명 버전은 용량이 보통 1,100mAh에 불과하다. 고용량 버전은 1,500mAh이다.

오른쪽 그림은 일반적인 리튬 망간 배터리의 스냅샷을 보여준다. 특성은 미미한 것처럼 보이지만 새로운 디자인은 비 출력, 안전성 및 수명 측면에서 개선되었다.  

전반적인 성능은 적당하지만 새로운 리튬 망간 디자인은 특정 전력, 안전 및 수명을 향상시킨다. 대부분의 리튬 망간 배터리는 리튬 니켈 망간 코발트 산화물(NMC)과 혼합되어 비 에너지를 개선하고 수명을 연장한다. 이 조합은 각 시스템에서 최고를 이끌어 내며 LMO(NMC)는 닛산 '''[[리프]]'''(Leaf), '''[[쉐보레 볼트]]'''(Chevy Volt) 및 '''[[BMW I3]]'''와 같은 대부분의 전기 자동차에 선택되었다. 배터리의 LMO 부분은 약 30%로 가속 시 높은 전류 부스트를 제공한다. NMC 부분은 긴 주행거리를 제공한다.

리튬 이온 연구는 리튬 망간과 코발트, 니켈, 망간 및 또는 알루미늄을 활성 음극 물질로 결합하는 데 집중하고 있다. 일부 아키텍처에서는 소량의 실리콘이 양극에 추가된다. 이렇게 하면 용량이 25% 향상된다. 그러나 이득은 일반적으로 실리콘이 충전 및 방전과 함께 성장 및 축소되어 기계적 스트레스를 유발함에 따라 더 짧은 사이클 수명과 연결된다.

이러한 세 가지 활성 금속과 실리콘 강화를 편리하게 선택하여 비 에너지(용량), 비 전력(부하 용량) 또는 수명을 강화할 수 있다. 소비자 용 배터리는 고용량을 사용하는 반면, 산업용 애플리케이션에는 우수한 로딩 기능이 있고 수명이 길며 안전하고 신뢰할 수 있는 서비스를 제공하는 배터리 시스템이 필요하다.<ref>주아기프트, 〈[https://blog.naver.com/jooanet123/222133210396 다양한 리튬 이온 배터리 유형]〉, 《네이버 블로그》, 2020-11-09</ref> 

==== 특성 ====
* 전압 : 3.70V (3.80V) 공칭; 일반적인 작동 범위 3.0–4.2V / 셀
* 특정 에너지 (용량) : 100 ~ 150Wh / kg
* 요금 (C-rate) : 0.7–1C 일반, 3C 최대, 4.20V까지 충전 (대부분의 셀)
* 방전 (C-rate) : 1C; 일부 셀에서 10C 가능, 30C 펄스 (5s), 2.50V 차단
* 주기 생활 : 300–700 (방전 깊이, 온도 관련)
* 열 폭주 : 250 ° C (482 ° F) 일반. 높은 전하가 열 폭주를 촉진한다.
* 응용 : 전동 공구, 의료 기기, 전기 파워 트레인

=== 리튬과잉산화물 ===
2019년 노벨 화학상을 받은 텍사스 오스틴 대학의 구디너프 교수에 의해 개발된 양극 재료로 현재까지 발견된 양극 물질 중 가장 우수한 용량 특성을 가진 소재이다. 리튬 과잉 산화물은 리튬 금속 산화물인 LiMO₂와 Li₂MnO₃가 혼합되어 있는 고용체로 250 mAhg 이상의 우수한 용량과 3.5 V 이상의 높은 작동전압을 가지고 있다. 이러한 높은 용량은 LiMO
₂의 층상구조 내 리튬 이온이 존재할 뿐 아니라 Li₂MnO₃의 전이금속 층에도 리튬 이온이 존재할 수 있기 때문이다.

하지만 첫 충전 시 매우 높은 비가역적 용량 손실을 보인다는 문제가 있다. 첫 충전 과정 중 Li₂MnO₃의 리튬이 탈리되면서 MnO3로 변환되는데 MnO₃는 화학적 당량을 맞추기 위해 산소를 방출시키며 MnO₂를 형성한다. 이 과정에서 리튬 이온이 삽입될 수 있는 많은 자리가 없어지며 비가역적인 용량의 손실이 발생한다. 또한 리튬 과잉 산화물은 2D percolating network를 가지는 구조적인 특징 때문에 전기 전도도가 부도체에 가까운 ~ 10 -11 Scm로 매우 낮다는 문제가 있다.  LiCoO₂의 전기 전도도는 ~ 10-4 Scm임 특히 Crate가 큰 상황에서는 분극에 의한 높은 저항으로 인해 성능감소가 심각해 고속 충방전에 사용하기 어려운 한계가 있다.<ref name="양극"></ref>

== 장점 ==
* 다른 리튬이온 유형에 비해 열 안정성이 높기 때문에 코발트 시스템보다 안전 회로가 덜 필요하다. 빠른 충전과 고전류 방전에 도움이 되는 낮은 내부 셀 저항으로 인해 높은 속도 성능을 제공한다.

== 단점 ==
코발트 기반 시스템에 비해 용량은 낮지만 에너지 밀도는 니켈 기반 시스템보다 거의 50% 높다.

{{각주}}

== 참고자료 ==
* "[https://en.wikipedia.org/wiki/Lithium_ion_manganese_oxide_battery Lithium ion manganese oxide battery]", ''Wikipedia''
* Niclas, "[https://sinovoltaics.com/learning-center/storage/lmo-batteries/ LMO Batteries]", ''SINO VOLTAICS''
* 박민규 기자, 〈[https://www.econovill.com/news/articleView.html?idxno=413890 ER궁금증 이차 전지의 핵심, 양극재는 무엇?]〉, 《이코노믹리뷰》, 2020-10-03

== 같이 보기 ==
* [[리튬]]
* [[망간]]
* [[배터리]]
* [[리튬이온]]
* [[리튬이온 배터리]]
* [[LMO]]
* [[LFP]]
* [[LCO]]

{{배터리|검토 필요}}