리튬이온 배터리 카지노 쿠폰의 발전사
리튬이온 배터리의 음극은 에너지 저장과 방출 과정에서 리튬 이온의 삽입과 추출을 담당합니다.
양극이 중요하다곤 했지만 음극의 경우에도 배터리의 성능, 안정성, 에너지 밀도에 큰 영향을 미치기에 꽤나 연구가 필요한 분야죠.
우선은 양극처럼 필수조건을 좀 다루고 갈까요?
음극 재료는 낮은 전위와 높은 에너지 밀도를 제공해야 하며, 반복적인 충∙방전에도 안정적인 성능을 유지해야 한다. 높은 쿨롱 효율을 통해 리튬 손실을 최소화하고, 고속 충∙방전 특성을 확보해야 하며, 전해질과 화학적∙열적 안정성을 가져야 한다.
이두문장 정도로 정리되겠습니다. 사실뭐 양극은 높고 음극은 낮아야하니 라는 이론에서 출발해서 금속 리튬의 표준 전극 전위(약 -3.04V vs SHE)에 근접한 낮은 전위를 가져야 한다라곤 말합니다.조금어렵다면 그냥 적정한 전위를 가지면 된다 이해하 시면 됩니다.
당연히 가벼워야하니 에너지 밀도가 높아야 하겠고? 효율이 높아야겠죠? 뭐 고속 충방전은 당연한 소리고 안정해야한다 정도입니다.
이렇게 말하면 그냥 다좋아야하는거 아니냐! 이렇게 말씀하셔도 할말은 없는게 프로에 제품이 잔아요?목표치가 높은건 어쩔수 없습니다, 좋아야죠
결론적으로 말하자면 카지노 쿠폰재는 튼튼한 샌드백입니다.
양극재에서 아무리 많은 에너지를 만들어도 즉 아무리많은 전자를 뽑아내도 음극재에서 리튬이온을 제대로 저장하지 못하면 말장꽝이니까요 양극재가 전압과 에너지밀도를 결정한다면 음극재는 충전량과 수명에 메인터넌스다 정도로 정리할까요?
물론 둘다 지대한 영향을 끼치지만요 그럼이제 발전사 위주로 보시죠
1. 리튬 금속 카지노 쿠폰의 초기 연구
이전에 언급했듯 1970년대 초, 리튬 금속은 높은 에너지 밀도와 낮은 전위 특성으로 이상적인 음극 재료로 주목받았습니다.
리튬 금속 음극은 3,860mAh/g의 높은 이론 용량이 매우컷죠, 심지어 높은 에너지 밀도를 구현할 수 있는 잠재력을 가졌었으니 엄청나게 관심이 쏠렸습니다.
하지만 충∙방전 과정에서 수지상(dendrite)이 형성되고, 유기 전해질 내에서 불안정성이 발생해 안전성과 수명이 크게 저하된다는 문제점이 지속적으로 지적되었고. 이러한 문제로 인해 리튬 금속 음극은 상용화는 불가능 했습니다.
2. 탄소 기반 카지노 쿠폰의 상용화 성공
1980년대부터는 리튬 금속의 대안으로 탄소 기반 카지노 쿠폰이 개발되었습니다.
리튬이 아니라 흑연(Graphite)에서 답을 찾았죠, 흑연은 안정적인 층간 구조를 통해 리튬 이온의 삽입과 추출을 가능하게 만들었다 라고 말해도 과언이 아닙니다.
가장 컷던건 충∙방전 시 부피 변화가 10% 이내로 작아 기계적 안정성을 확보할 수 있었다는 점입니다 만들어도 터져버리면 쓸모가 없잔아. 그래서흑연의 이론 용량은 372mAh/g으로 리튬 금속에 비해 낮았지만, 안정성과 긴 수명으로 인해 1990년대 리튬이온 배터리의 상용화에 성공했다 정도로 이해하시면 됩니다.
그 이후 하드 카본(Hard Carbon)과 소프트 카본(Soft Carbon)과 같은 비정질 탄소 음극도 개발되었으며, 흑연보다 높은 용량(450mAh/g 이상)을 가졌지만 초기 충전 손실과 낮은 부피당 에너지 밀도가 단점으로 작용했습니다.
3. 리튬 합금 카지노 쿠폰의 연구 확산
1970년대부터 리튬 합금 카지노 쿠폰에 대한 연구가 시작되었으며, 특히 2000년대에 들어 실리콘(Si)과 주석(Sn) 기반의 리튬 합금계 재료가 주목받았습니다.
실리콘(Si): 4,198mAh/g이라는 매우 높은 이론 용량을 제공하며, 리튬 이온을 효과적으로 저장할 수 있었습니다. 그러나 충∙방전 과정에서 310%에 달하는 부피 변화로 인해 전극의 균열과 열화가 발생
주석(Sn): 994mAh/g의 용량과 우수한 전기전도성을 가지지만, 약 280%의 부피 변화와 SEI(solid electrolyte interface) 막 형성으로 인한 용량 감소 문제가 나타남
결국은 리튬 합금 카지노 쿠폰은 흑연에 비해 용량 면에서 큰 잠재력을 가졌지만, 부피 변화로 인한 전극 열화와 충∙방전 효율 저하가 상용화의 주요 걸림돌로 작용해서 지속적으로 연구개발이 필요했죠
4. 전이금속 산화물 및 복합 재료 개발
결국 2000년대 중반 이후, 전이금속 산화물(MO, M=Co, Ni, Fe 등)이 고용량 카지노 쿠폰 재료로 주목받기 시작했습니다.
전이금속 산화물은 기존 흑연의 2~3배 용량을 제공하며, 100회 이상의 충∙방전 사이클에서도 성능이 유지되는 특성을 보였습니다. 그러나 반응 전압이 2V 부근으로 높아 에너지 효율이 낮아지고, 충∙방전 과정에서 부피 변화와 반응성 저하로 수명이 제한적이었습니다. 이러한 문제를 극복하기 위해 탄소 복합재와 금속 첨가제 적용 등의 기술이 개발되었다곤 하는데 그럼 실제 자동차 회사들은 어떨까요?
테슬라
테슬라는 4680 배터리 발표(Battery Day 2020)에서 흑연 음극에 실리콘 첨가를 통해 에너지 밀도와 비용 효율을 개선하는 기술을 언급했습니다해외배터리 분석 보고서에서도 테슬라의 배터리가 흑연 음극을 기본으로 사용하고 있으며, 실리콘 혼합 음극 비율이 높아지고 있다고 평가하고 있죠.
현대자동차(Hyundai Motor)
현대차는 2022년 SK온과 협력해 실리콘 함량이 10% 이상인 음극재를 개발하고 이를 차세대 배터리에 적용할 계획을 발표했습니다. 당시에 기사가 꽤나왔을꺼에요 결국 로드맵 자체로전기차 주행거리를 700km 이상으로 늘리고 충전 속도를 단축하는 기술적 목표를 공개했죠.
CATL (Contemporary Amperex Technology Co., Limited)
중국 최대 배터리 회사인 CATL도 마찬가지 입니다.주요 배터리인 LFP(리튬인산철) 배터리와 NMC 배터리는 흑연 음극을 기본으로 사용한다 보시면됩니다..최근 발표된 '기린(Qilin)' 배터리는 흑연 음극을 기반으로 에너지 밀도를 향상시키는 구조를 채택했다 발표했죠
참고문헌
[1]https://source.benchmarkminerals.com/
이번글에 사용된 프롬프트 입니다.
