리튬이온 배터리 구성요소 분리막, 전해질
오늘은 이제 리튬이온 배터리의 구성요소 마지막 파트입니다 분리막차례입니다. 빠르게 가봅시다.
우선은 개념부터 잡고 가시죠 카지노 게임 추천 이 대체 뭘까요?
분리막은 리튬이온 배터리의 양극과 음극을 물리적으로 분리하여 직접 접촉으로 인한 내부 단락(short circuit)을 방지하는 역할을 합니다.
우선 구조를 먼저 볼까요? 여기서 아셔야 하는 건 전기는 전하의 흐름이고 저항이 낮은 곳으로 흐르려 하는 성질을 가지고 있습니다. 그렇다면 당연히 더 넓고 짧은 길인 중앙을 내버려두고 위쪽의 얇은 선으로 전자가 흘러야 할 이유를 만들어 줘야 한다는 겁니다.
쉽게 말해 우리가 원하는 에너지 통로를 만들어야 하니 막아야 한다는 거죠, 문제는 그와 동시에 다공성 구조를 통해 이온의 이동 경로를 제공하여, 리튬 이온이 전극 사이를 자유롭게 이동할 수 있게 해야 합니다.
머리 아프죠 결론은 물리적으로 분리된 리튬이온의 통로역할을 해야 하지만 에너지는 저위로 왔다 갔다 해야 한다는 겁니다.
그를 위해서 특성을 손대야겠죠 세부적인 건 뒤에 다룬다고 해도 결국 이러한 분리막은 배터리의 안전성을 크게 좌우합니다. 사실상 저게 손상되면 바로 과전류가 흘러서 타버리는 거고 고급스럽게 말하면과열이나 과충전 시, 분리막이 녹거나 손상되면 전류가 통제되지 않아 열 폭주(thermal runaway)가 발생한다 표현합니다. 물론일부 분리막은 셧다운 기능(shutdown function)을 갖추어특정 온도 이상에서 기공을 막아 전류 흐름을 차단하고 추가적인 사고를 방지하고 실제로 그 기술 들은 꽤나 많이 사용화 되었습니다.
네 이런 기술이 언제 필요도가 커졌냐고요?
17년도 갤럭시 폭파사태 이후에 급속도로 홍보하기 시작했죠 원래 일반리튬이온을 저렇게 뚫으면 펑하고 터집니다.(실제로 제가 터쳐봤어요)
결론적으로 말하면기술적 과제 분리막은 얇으면서도 기계적 강도와 열적 안정성을 유지해야 합니다. 분리막의 젖음성(wettability)은 전해질과의 상호작용을 통해 성능을 최적화하는 방식으로 연구가 진행되었죠. 좀 더 자세한 건 후반부에 다루자고요
다음으로 볼 전해질(Electrolyte)은 배터리 내부에서 이온의 이동 매개체로 작동하며, 리튬 이온이 양극과 음극 사이를 자유롭게 이동할 수 있도록 합니다.
사실상 이온은 이동해야 하니 통로의 역할이라 보시면 됩니다, 이전극 표면에서 안정적인 SEI(Solid Electrolyte Interphase)를 형성하여 전극의 분해를 억제합니다.
뭔 소리냐고요? 그냥 마구잡이로 반응이 일어나면 무너질 거니까 튼튼하게 묶어준다는 겁니다.
배터리의 전기화학적 안정성은 전해질의 작동 전압 범위 내에서 전기화학적으로 안정해야 하며, 고전압에서 분해되지 않아야 합니다. 결국 전해질이 고온·저온에서 물리적·화학적 특성을 유지할 수 있어야 합니다.
뿐만 아니라 이온 전도성 전해질은 높은 이온 전도도를 가져야 하며, 전자전도성은 없어야 합니다. 용매 내 리튬염의 해리(dissociation)가 용이하고, 해리된 이온의 이동도가 높아야 성능이 향상됩니다.
좀 어지럽죠? 조금 쉽게 가봅시다 결국 통로니까 잘 지나다녀야 하는데 튼튼해야지! 그리고 리튬이온이 잘 다닐 수 있게 편하게 만들어야지 정도로 해석할 수 있겠네요 결국은 리튬이온과 전자의 이동으로 인한 장치이니 우리 리튬이온님이 편하게 다니도록 만드는 길이라고 이해하셔도 됩니다.
자 이제 프리뷰는 끝 낫으니 제대로 가봅시다.
카지노 게임 추천(Separator)
앞서 설명드렸듯 분리막은 리튬이온 배터리의 필수 구성 요소로서, 양극과 음극을 물리적으로 분리하면서도 전기화학적 작동을 가능하게 하는 다공성 막입니다.
출처-lg 배터리 인사이드카지노 게임 추천의 가장 기본적인 역할은 전기적 절연으로, 양극과 음극이 직접 접촉하여 내부 단락(short circuit)이 발생하지 않도록 물리적 장벽을 만듭니다.
동시에 다공성 구조를 통해 리튬 이온의 이동 경로를 제공함으로써, 배터리 작동 중 이온 전달이 원활히 이루어지도록 하는 것이죠.물론리튬이온 배터리에서 분리막은 단순한 물리적 장벽뿐만 아니라 안전제어 및 기계적 강도를 증가시키는 역할을 수행합니다.
분리막은 리튬이온 배터리 내부에서 양극과 음극을 물리적으로 분리하여 직접 접촉으로 인한 내부 단락(short circuit)을 방지하는 다공성(polymeric porous) 막입니다. 이 막은 단순히 전기적 절연체 역할을 할 뿐만 아니라, 배터리의 전기화학적 작동을 위해 필수적인 이온 전달 경로를 제공합니다.
문제는 저 과정에서 전기적 절연이 필수적이어야 양극과 음극을 분리하여 단락 방지를 해야 한다는 점이 정말 머리 아프죠 그럼 이러한 것들을 이론적으로 정리해 봅시다.
카지노 게임 추천의 특성
위에서 설명한 걸 정리하자면 분리막은 리튬이온 배터리 성능과 안전성에 직결된 요소고 아래와 같은 특징으로 정리할 수 있겠죠?
다공성: 기공률(Porosity)과 기공 크기(Pore Size)는 리튬 이온 전달 효율 결정
화학적 안정성: 전해질과의 상호작용에서 안정성 요구, 전극 소재와 반응 X
열적 안정성: 고온 환경에서도 변형되지 않고 기능을 유지
기계적 강도: 얇은 두께에서도 외부 충격이나 압력에 견딜 수 있는 강도 요구
결국 이러한 이유로 여러 물질들이 고민되었으니 한번 봐보시죠
카지노 게임 추천 제조 방식: 건식 카지노 게임 추천 vs. 습식 카지노 게임 추천
카지노 게임 추천의 크게 2가지로 나누어집니다 건식카지노 게임 추천과 습식 카지노 게임 추천이요 뭐 제조방식에 따른 차이인데 당연히 제조방식에 따라 특성차이가 있을 거고 또 그에 따른 성능차이도 발생하겠죠? 보시죠
1. 건식 카지노 게임 추천 (Dry Process Separator)
건식 카지노 게임 추천은 열가소성 소재를 고온에서 가열하여 연화시키고 이를 물리적으로 잡아당겨 늘리는 방식으로 제조하여 건식입니다. 이 과정의 핵심은막에 미세한 기공 구조를 형성하는 것으로. 폴리프로필렌(PP)이나 폴리에틸렌(PE) 기반으로 제조를 하죠
실제 제조공정에서는 고분자 필름을 열처리하여 부분 결정성을 부여한 후 필름을 양방향으로 연신(biaxial stretching)하여 기공 형성합니다(늘린다는 말이에요) 그 이후필요한 두께와 기공 구조로 가공합니다
단순 공정이니 생각해 보면제조 공정이 상대적으로 단순하죠? 결국 그런 이유로대량 생산이 용이합니다 물론 가격도 쌀 테고요. 폴리프로필렌(PP)을 주로 사용하며, 높은 기계적 강도와 열적 안정성을 가지는 장점이 있지만 물리적으로 만들기에기공 구조가 균일하지 않다는 단점이 있죠 결국 그로 인해이온 전도성이 떨어집니다.130~150°C에서 용융점이라 습식에 비해서는 조금 높다는 특징이 있습니다.
2. 습식 카지노 게임 추천 (Wet Process Separator)
습식 카지노 게임 추천은 폴리에틸렌(PE)과 같은 열가소성 소재를 용매로 녹이는 것부터 시작합니다 네 벌써부터 훨씬 돈이 많이 들겠죠? 그 이후용매를 제거하여 기공을 형성하는 방식으로 제조됩니다.
뭐 그 이후엔 건식처럼필름을 연신하여 기공 구조를 더욱 정밀하게 조절하는 공정이죠,고분자 소재를 용매와 혼합하여 균일한 혼합물 제조하는 공정이 들어가 있기에 들어가는 품이 훨씬 많습니다. 심지어용매를 제거하여 고분자 필름 형성하기에 돈이 많이 든다 이해하셔도 됩니다 물론 그로 인해필름을 연신하여 균일한 기공 구조 생성지만요
결론적으로 제조된 기공 구조가 균일하고, 높은 기공률을 제공. 이온 전도성이 우수하며, 전해질 흡수 능력이 뛰어납니다. 공정이 복잡하고, 용매 제거 과정이 추가되어 제조 비용이 높다는 단점이 있어도요.
다만 열적 안정성이 건식 카지노 게임 추천에 비해 낮음 다는 단점이 있죠 (120~130°C에서 용융).
자그렇다면 대충답은 나왔습니다. 고성능을 써야 하니 습식카지노 게임 추천 아니면 선택지가 없는 거죠
카지노 게임 추천 코팅
1. 왜 카지노 게임 추천 코팅이 필요한가?
하지만 우리의 엔지니어들은 여기서 멈추지 않습니다. 좀 더 성능을 끌어올릴 방법을 끊임없이 찾았죠 만들어진 분리막은 리튬이온 배터리에서 전극 간 물리적 절연과 이온 전달 경로를 제공해야 하지만상용화된 폴리에틸렌(PE)이나 폴리프로필렌(PP) 기반의 분리막의 문제부터 보실까요?
첫째로 열적 안정성 부족 합니다 기존 PE, PP 카지노 게임 추천은 120~150°C에서 용융되어 기공이 손상되고 용융된다 위에서 말씀드렸죠? 결국이로 인해 내부 단락이 발생할 가능성이 높아집니다. 우리는 결국 내열성을 강화해야만 하는 상황에 처해진 겁니다.
뿐만 아니라 기계적 강도 강화도 필요했죠 점점 얇은카지노 게임 추천이 대세화 되었고 얇게 만들 수 있는 기술이 만들어졌지만 얇아질수록 기계적 강도가 약해지며, 충격이나 외부 압력에 의해 손상될 가능성이 높아지겠죠? 문제는 리튬 덴드라이트 생성으로 인한 카지노 게임 추천침투를 막아야 하는데 이 과정에서 추가적인 강도 보강이 필요하다는 겁니다.
Issues and challenges facing rechargeable lithium batteries덴드라이트는 충반전을 하다 보면 이렇게 잔여물이 생기는 현상인데 카지노 게임 추천이 약하면 뚫리겠죠?
뭐 그 이외에도분리막은 전해질과의 화학반응을 최소화할 수 있고전해질 흡수와 이온 전달 최적화 전해질과의 친화성을 높일 수 있다는 부가적인 장점 때문에 코팅을 했다 정도로 이해하시면 됩니다.
4. 코팅 기술의 종류
세라믹 코팅
세라믹 코팅이라 불리는 이 녀석은 Al₂O₃(알루미나), SiO₂(실리카), ZrO₂(지르코니아) 등을 활용해 코팅을 하는 방식입니다. 뭐 우리가 관심 있는 건 이 녀석이에요 다른 녀석들도 몇 개 있긴 한데 저온강화나 순전히 강도강화를 위해서 하는 경향성이 있거든요
고분자 코팅
고분자 코팅은 PVDF(Polyvinylidene Fluoride), PAA(Polyacrylic Acid) 등.전해질 흡수력 및 젖음성(wettability) 개선, 기공 구조 최적화를 목표로 두는 코팅방식입니다 물론 이건저온 환경에서의 충방전 성능 개선하는 걸 목표로 하기에 어느 정도 벗어나 있지만 일단 이런 게 있다는 알자고요
복합 코팅
사실 최근 연구 에는세라믹과 고분자 물질을 혼합하여 코팅한 분리막을 사용하기도 합니다기계적 강도와 전해질 친화성을 동시에 확보할 수 있다는 점이 매력적이니까요 그만큼 힘들긴 하겠지만요 그래핀이나 다른 기술들도 연구되고 있다는데 이런 간 나중에 다루죠
지금은Al₂O₃기반의 고분자 코팅이 기본으로 상용화된 분리막은 200도는 견디는 괴물 같은 녀석들이 등장했
이런 느낌의 코팅이라 이해하시면 편할 겁니다.
전해질
전해질(Electrolyte)은 리튬이온 배터리 내 양극과 음극 사이를 채우는 녀석들입니다. 위에서 설명했듯 통로역할이라 이해하시면 되는데 고급스러운 표현으론리튬이온 이동의 매개체 역할을 하는 물질이라 칭합니다.
직관적으로 배터리 충·방전 시 리튬이온이 전해질을 타고 양극과 음극을 오가는 겁니다.
그럼 이러한 전해질의 요구조건은 뭘까요? 간단하죠이온을 빠르고 안전하게 이동시켜야 한다에서 출발하면,안정성이 좋아야 한다, 잘 안 얼고 잘 안타 야한다 즉 발화점이 높고 어는점이 낮아야 한다. 그리고 가장 중요한 이온전도도 즉 이온의 이동속도가 높아야 한다는 점이 특징입니다. 리튬이온 이동속도가 빠를수록 배터리 출력이 커지고 고속으로 충전이 가능하니까요
여긴 좀 짧으니 역사이야기를 잠깐 하고 가죠
1. 초기 개발 단계: 유기 전해질의 도입
전해질 기술의 초기 단계는 리튬 이온의 이온전도 경로를 제공하면서, 동시에 높은 전압 환경에서도 안정성을 유지할 수 있는 물질을 찾는 데 포커싱이 되었습니다.
초기 전해질은 수용성 물질을 기반으로 했으나, 리튬이온 배터리의 높은 작동 전압(4.2V 이상)을 지원하지 못해 전기분해가 발생했고 그로 인하여배터리 성능이 저하되었죠
이를 해결하기 위해 비수계(non-aqueous) 유기 전해질이 개발되었다. 보시면 됩니다 뭐 비슷하게 1970년대 후반 즉 배터리 퀀텀점프 시기에, LiClO₄와 같은 리튬염이 PC(Propylene Carbonate), EC(Ethylene Carbonate)와 같은 유기 용매에 용해되는 형태 등장한 것이죠
하지만 이때는 지금에 비해낮은 이온전도도, 점도 증가, 화학적 불안정성과 같은 문제가 심각했죠
LiPF₆의 도입
이런 문제를 해결하기 위해 1980년대 후반부터 LiPF₆(Lithium Hexafluorophosphate)이 개발되었습니다.
이 시기 전해질 성능이 크게 향상되었는데, LiPF₆는 높은 해리도와 이온전도도를 제공하면서도 유기 용매와의 상용성이 우수하여, 이후 대부분의 리튬이온 배터리에서 표준 리튬염으로 자리 잡았죠
2. 중간 발전 단계: 첨가제와 복합 전해질의 등장
그것만으로 부족했던 엔지니어들은 1990년대 소니(Sony)의 리튬이온 배터리 상용화 이후, 전해질 기술은 배터리의 안정성과 수명 연장을 위한 다양한 개선을 중심으로 발전했습니다.
결국 첨가제라는 녀석이 등장해줘 이 녀석의 활용은 전해질 안정성과 SEI(Solid Electrolyte Interphase) 형성을 개선을 목적으로 했습니다 다.
대표적으로 VC(Vinylene Carbonate), FEC(Fluoroethylene Carbonate), ES(Ethylene Sulfite) 등으로, 이들은 SEI 막 형성을 촉진하여 전극 표면에서의 부반응을 억제하고 배터리 수명을 연장하는 걸 목적으로 진짜 많이 등장했다 정도만 이해하시면 됩니다.
메인 목적은 음극(흑연) 표면에서의 전해질 분해를 방지,고온에서 전해질의 안정성을 높이기 이 두 가지였다 보시면 됩니다.
그 이후 전고체 배터리가 작금의 기술이고 이런녀석들로 어느 정도 정리되어 연구 중이다 까지만 이야기하고 마치죠 사실 전고체 배터리는 이야기할 게 너무 많습니다.
자 이제 배터리의 구성요소가 끝났습니다. 이제 원리 온도특성 다루고 BMS 만 보시면 배터리 파트도 끝이 납니다. 한번 달려보죠
참고문헌
[1][전지적 배터리 시점] ② 2차 전지 성능을 좌우하는 ‘네 가지 속사정’ 파헤치기
[2] 배터리용어사전 – SRS® (Safety Reinforced Separator®)
[3] J.M. Tarascon, “Issues and challenges facing rechargeable lithium batteries”, Nature, 414, 359-367, 2001.
