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리튬이온 배터리
리튬이온 배터리(Lithium-ion battery, Li-ion battery, 锂离子电池)는 2차전지의 일종으로 방전 과정에서 리튬이온이 음극에서 양극으로 이동하는 전지이다. 충전시에는 리튬 이온이 양극에서 음극으로 다시 이동하여 제자리를 찾게 된다. 리튬이온 배터리는 충전 및 재사용이 불가능한 1차전지인 리튬 전지와는 다르며, 전해질로서 고체 폴리머를 이용하는 리튬 이온 폴리머 전지와도 다르다.
리튬이온 배터리는 에너지 밀도가 높고 기억 효과가 없으며, 사용하지 않을 때에도 자가방전이 일어나는 정도가 작기 때문에 시중의 휴대용 전자 기기들에 많이 사용되고 있다. 이 외에도 에너지밀도가 높은 특성을 이용하여 방산업이나 자동화시스템, 그리고 항공산업 분야에서도 점점 그 사용 빈도가 증가하는 추세이다. 그러나 일반적인 리튬이온 배터리는 잘못 사용하게 되면 폭발할 염려가 있으므로 주의해야 한다.
리튬이온 배터리는 크게 양극, 음극, 전해질의 세 부분으로 나눌 수 있는데, 다양한 종류의 물질들이 이용될 수 있다. 상업적으로 가장 많이 이용되는 음극 재질은 흑연이다. 양극에는 층상의 리튬코발트산화물(lithium cobalt oxide)과 같은 산화물, 인산철리튬(lithium iron phosphate, LiFePO4)과 같은 폴리음이온, 리튬망간 산화물, 스피넬 등이 쓰이며, 초기에는 이황화티탄(TiS2)도 쓰였다. 음극, 양극과 전해질로 어떤 물질을 사용하느냐에 따라 전지의 전압과 수명, 용량, 안정성 등이 크게 바뀔 수 있다. 최근에는 나노기술을 응용한 제작으로 전지의 성능을 높이고 있다.
전지의 용량은 mAh(밀리암페어시) 또는 Ah(암페어시)로 표시하는데, 휴대폰에 사용하는 전지는 3000~4000mAh가 가장 많이 쓰이며, 스마트폰에는 1500~5000mAh도 사용된다. 노트북에 사용되는 전지는 2400~5500mAh가 가장 많이 사용된다.
개요
리튬이온 배터리는 재충전 가능 배터리의 일종이다. 리튬이온배터리는 휴대용 전자제품과 전기자동차에 흔히 사용되며 군사 및 항공우주 분야에 대한 인기가 높아지고 있다. 1985년 요시노 아키라(Akira Yoshino)가 리튬 이온 전지를 개발한 것은 1970년대부터 1980년대까지 존 구디너프(John Goodenough), 스탠리 휘팅엄(M. Stanley Whittham), 라시드 야자미(Rachid Yazami)와 미즈시마 고이치(水島公一)의 초기 연구를 바탕으로 했으며 이후 소니와 아사히에서 리튬이온 전지 상용화에 성공했다.
배터리에서 리튬이온은 방전 중에 음극 전극에서 전해질을 통해 양극 전극으로 이동하고 충전할 때 되돌아 간다. 리튬이온 배터리는 양극재로 리튬 화홥물을 사용하며, 음극재로 일반적으로 흑연을 사용한다. 배터리는 에너지 밀도가 높고 메모리 효과 없으며(LFP 제외) 자가 방전이 약하다. 하지만 가연성 전해질이 함유되어 있어 안전상 위험요소가 될 수 있으며, 손상되거나 잘못 충전되면 폭발과 화재를 초래할 수 있다. 삼성전자는 리튬이온 화재 이후 갤럭시노트7 단말기를 리콜할 수 밖에 없었고, 보잉 787기에서도 배터리 관련 사고가 여러 차례 발생했다.
리튬 이온 배터리의 연구 영역에는 수명 연장, 에너지 밀도 증가, 안전성 향상, 비용 절감, 충전 속도 증가 등이 포함된다. 대표적인 전해질에 사용되는 유기용제의 인화성과 변동성을 기반으로 안전성을 높이기 위한 경로로 비인화성 전해액 영역에서 연구가 진행되고 있다. 전략으로는 수용성 리튬이온 배터리, 세라믹 고체 전해질, 폴리머 전해질, 이온 액체, 불소화 시스템 등이 있다.
역사
리튬이온 배터리는 미국 뉴욕 빙엄턴 대학교의 스탠리 휘팅엄(Stanley Whittingham) 교수와 엑슨에 의해 1970년대에 처음 제안되었다. 휘팅엄 교수는 이황화티탄을 양극으로, 금속 리튬을 음극으로 사용하였다. 이후 1980년에 라시드 야자미를 필두로 하는 그르노블 공과대학(INPG)과 프랑스 국립 과학 연구센터의 연구진에 의해 흑연 내에 삽입된 리튬 원소의 전기화학적 성질이 밝혀졌다. 그들은 리튬과 폴리머 전해질, 흑연으로 이루어진 반쪽 전지 구조에 대한 실험을 통하여 흑연에 리튬 원소가 가역적으로 삽입됨을 밝혀냈고, 1982년과 1983년에 해당 연구 내용이 출판되었다. 이 연구는 리튬의 흑연 내 가역적 삽입에 관해 열역학적인 내용과 이온 확산에 관련된 동역학적인 내용을 모두 포함하고 있다.
기존의 리튬 전지는 음극이 금속 리튬으로 이루어져 있었고, 그 때문에 안전성이 낮았다. 따라서 리튬이온 배터리는는 금속의 리튬 덩어리가 아니라 리튬 이온을 포함하는 물질을 음극과 양극으로 사용하는 방향으로 개발되었다. 1981년 벨 연구소에서는 리튬 전지에 금속 리튬 대신 사용 가능한 흑연 음극을 개발하여 특허를 획득하였다. 그 후 존 구디너프가 이끄는 연구팀이 새로운 양극을 개발함으로써 비로소 1991년 소니에 의해 최초의 상업적 리튬 이온 전지가 출시되었다. 당시의 배터리는 층상 구조의 산화물(리튬코발트산화물)을 이용하였으며, 당시 가전제품 분야에 혁명을 일으켰다.
1983년 태커레이(Michael Thackeray)와 구디너프 등이 망간으로 이루어진 스피넬을 양극 물질로 사용할 수 있음을 발견하였다. 스피넬은 가격이 싸고 전기전도도와 리튬 이온 전도도가 우수하며 구조적으로 안정적이기 때문에 매우 각광받았다. 비록 순수한 망간으로 이루어진 스피넬은 반복되는 사용으로 인해 성능이 저하되지만, 이러한 점은 스피넬을 구성하는 화학 원소에 변화를 줌으로써 해결할 수 있다. 망간 스피넬은 오늘날 상업적인 리튬 이온 전지들에 사용되고 있다. 그리고 1985년에 도시바의 미즈시마 고이치(水島公一)는 최초로 리튬이온 전지의 정극 재료를 개발하였다. 이 성과를 살려, 같은 해 아사히 카세이의 요시노 아키라가 현재 쓰이는 리튬 이온 전지에 가까운 원형을 만들어내었다.
1989년 텍사스 대학교 오스틴의 만티람(Arumugam Manthiram)과 구디너프는 폴리음이온을 함유하는 양극이 유도 효과를 갖기 때문에 산화물을 사용하는 양극보다 더 높은 전압을 낼 수 있음을 발견하였다. 이를 바탕으로 1990년말 소니의 니시 요시오(西美緒)는 처음으로 리튬 이온 전지의 개발에 성공했고, 이듬해 1991년 소니는 리튬 이온 전지를 대량생산하여 상용화했다.
1996년 파디(Akshaya Padhi), 구디너프 등은 인산철리튬과 감람석 결정구조를 갖는 인산금속계 리튬을 리튬 이온 배터리의 양극 물질로 사용할 수 있음을 발견했다. 인산철리튬은 여느 양극 물질과 비교해도 저렴한 가격과 뛰어난 안전성, 성능, 그리고 안정적인 작동 성능을 보였다. 또한 인산철리튬은 전기 자동차에 사용되는 거대한 전지와 같이 안전성을 요구하는 에너지 저장 장치로서 적합하다. 인산철리튬은 오늘날 노트북 컴퓨터와 같은 휴대용 전자기기 등에 널리 사용되고 있다.
2002년 MIT의 치앙(Yet-Ming Chiang)과 그 연구팀은 전극에 알루미늄이나 니오브, 또는 지르코늄을 도핑함으로써 전기전도도를 크게 증가시켜 리튬이온 배터리의 성능을 극대화할 수 있다는 것을 발견하였다. 그러나 이 도핑 처리에 의해 성능이 향상되는 원리가 실제로 어떻게 되는지에 대해서는 많은 논쟁이 있다.
2004년 치앙의 연구팀은 또 다른 기술을 개발하는데, 100나노미터의 지름을 갖는 인산철 입자를 전극에 도핑하는 것이다. 이를 통하여 밀도가 100분의 1 이하로 감소하였고 전극의 표면적과 전지의 용량이 증가하는 효과를 얻었다. 인산철을 이용하는 기술의 상업화는 치열한 시장 경쟁을 낳았고, 또한 치앙과 구니너프 간의 특허 침해 분쟁을 야기했다.
2005년 Y Song, PY Zavalij 및 스탠리 휘팅엄은 높은 에너지 밀도를 갖는 새로운 2전자 바나듐 인산염 양극 물질을 발표했다.
2011년 아르곤국립연구소(Argonne National Laboratory)에서 개발된 리튬 니켈 망간 코발트 산화물(NMC) 캐소드는 오하이오 주 BASF에서 상업적으로 제조되었다. 리튬이온 배터리는 일본에서 모든 휴대용 보조(즉, 충전 가능) 배터리 판매의 66%를 차지했다.
2012년 존 구디너프, 라시드 야자미, 요시노 아키라는 리튬이온 배터리 개발로 2012 IEEE 환경 및 안전 기술 훈장을 받았다.
2014년 존 구디너프, 요시오 니시(Yoshio Nishi), 라시드 야자미, 요시노 아키라는 이 분야에서 선구적인 노력으로 국립공학 아카데이미의 찰스 스타크 드레이퍼상( Charles Stark Drape)을 수상하였다. 앰프리우스(Amprius Corporation)의 상용 배터리는 실리콘 양극재를 사용하여 650Wh/L(20% 증가)에 도달하여 고객에게 공급되었다.
2016년 미즈시마 고이치와 요시노 아키라는 리튬이온 배터리용 LiCoO2 양극재 발견과 요시노의 리튬이온 배터리 개발로 국립재료과학연구소(NIMS)로부터 NIMS 어워드를 수상했다. Z Qi와 Gary Koenig는 템플릿 기반 접근 방식을 사용하여 서브 마이크로미터 크기의 LiCoO₂를 생성하는 확장 가능한 방법을 보고했다.
2019년 "리튬이온 배터리 개발"로 존 구디너프, 스탠리 휘팅엄, 요시노 아키라에게 노벨 화학상이 공동 수여되었다.
참고자료
- 〈리튬 이온 전지〉, 《위키백과》
- 〈锂离子电池〉, 《百度百科》
- 〈锂离子电池〉, 《维基百科》
- "Lithium-ion battery", Wikipedia
같이 보기
