학문
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안녕하세요. 이태영 과학전문가입니다.
리튬 이온 배터리 충전/방전 과정에서 발생하는 전극 구조 파괴는 활성 물질 접근성 감소와 전해질 분해를 유발하여 비용량 감소를 초래합니다.
안녕하세요. 서종현 전문가입니다.
위 그래프(a)는 리튬이온 배터리의 특정 크기(6.0nm~bulk)의 입자들에서 방출하는 전압과 용량 변화를 나타냅니다. 입자가 작아질수록 표면층에 리튬이온이 더 많이 삽입되어 커패시터 거동이 증가해 초기 전압이 빠르게 떨어지며 가파른 곡선을 보입니다. 하지만 입자가 너무 작으면 내부의 규칙적인 결정구조(벌크구조)가 파괴되어 리튬이온이 안정적으로 저장되지 못해 전체 용량(비용량)이 줄어드는 원리입니다.
즉, 내부 벌크층은 리튬이온을 많이 저장하는 주된 공간으로, 이 층이 잘 유지될수록 용량이 큽니다. 그러나 표면층 중심으로 리튬이온이 삽입될때는 전기화학적 반응은 빠르지만 저장 용량은 적습니다.
그래서 그래프(b)처럼 벌크층과 표면층의 리튬 저장 특성 차이(에너지분포)가 나타나는 것이며, 표면층이 크면 커패시터처럼 빠르지만 용량은 작고, 벌크층이 많아야 큰 용량을 가지게 됩니다.
요약하자면 내부 벌크 구조가 파괴되면 리튬이 안정적으로 저장되는 공간이 줄어들어 사용 가능한 용량이 감소하는 반면, 표면에서 일어나는 빠른 반응은 그래프에서 초반 가파른 감소로 나타납니다. 따라서 내부 구조가 건강할수록 용량은 커지는 것입니다.