전기차 배터리의 리튬이온 셀의 충-방전 메커니즘이 궁금합니다.
전기차배터리로 사용되는 리튬이온 배터리의 경우 충전-방전절차가 어떤 메커니즘으로 이뤄지는지, 그 방식이 궁금하고, 이를 대체할만한 배터리는 현재까진 개발되지 않은건지 궁금합니다.
안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.
리튬이온 배터리는 충전과 방전 과정을 통해 전기에너지를 저장하고 사용합니다. 충전 (Charging)은 양극에서 리튬 이온이 전자를 뺏어 리튬 양이온으로 산화됩니다. 음극에서는 리튬 이온이 음극으로 이동하여 저장됩니다. 방전 (Discharging)은 음극에서 리튬 이온이 양극으로 이동하며, 동시에 전자가 외부 회로를 통해 양극으로 이동합니다. 이렇게 발생한 전력을 통해 전자기기를 작동시킬 수 있습니다.
리튬이온 배터리는 높은 에너지 밀도와 장기간 사용 가능한 특성으로 인해 전기차를 비롯한 다양한 분야에서 널리 사용됩니다. 현재까지 대체 할만한 배터리는 개발 중이지만, 리튬이온 배터리의 성능과 안정성을 넘어선 대안은 아직 상용화되지 않았습니다.
전지의 구성은 양극,음극,전해질, 분리막으로 구성되어 있습니다.
충전과정은 전원을 배터리에 연결하고 양극에서 리튬이온을 음극으로 이동시킵니다.
양극에서 LiCoO₂는 전자를 잃고 Li⁺ 이온을 방출합니다. Li⁺ 이온은 전해질을 통해 이동하여 음극으로 가고
전자는 외부 회로를 통해 이동합니다. 음극에서는 Li⁺ 이온이 전자를 받아 흑연 층 사이에 저장됩니다
방전과정은 베터리를 전력을 공급하는 장치에 연결화고
저장된 에너지는 반대 방향으로 이동하여 음극에서 양극으로 리튬 이온을 이동시키고
음극에서 Li⁺ 이온과 전자가 방출되어 전해질을 통해 양극으로 이동합니다.
양극에서는 Li⁺ 이온과 전자가 결합하여 다시 LiCoO₂를 형성합니다.
안녕하세요~~~
리튬이온 배터리에서 충전이란 외부에서 전기가 공급되어 리튬이 음극으로 이동하는 현상을 충전이라고 합니다.
이탈된 리튬이온은 양이온의 형태로 음극으로 이동하고 이탈된 전자는 음극으로 이동해서 양극과 결합하게 됩니다.
리튬이온 배터리는 양극, 음극, 전해질로 구성되며, 충전 시에는 리튬 이온이 음극에서 양극으로 이동하고 방전 시에는 반대로 이동합니다. 충전 과정에서는 외부 전원으로부터 전력을 받아 음극이 리튬 이온을 흡수하고, 방전 시에는 음극의 리튬 이온이 양극으로 이동하여 전류를 생성합니다. 리튬이온 배터리는 높은 에너지 밀도, 긴 수명, 낮은 자기방전율 등의 장점으로 전기차에 널리 사용됩니다.
현재 리튬이온 배터리를 대체할 기술로는 전고체 배터리, 리튬-황 배터리, 나트륨이온 배터리가 연구되고 있습니다. 전고체 배터리는 안전성을 높이고 에너지 밀도를 증가시키는 기술이며, 리튬-황 배터리는 이론적으로 더 높은 에너지 밀도를 가지고 있으나 수명이 짧고 안정성이 낮습니다. 나트륨이온 배터리는 원료가 풍부하고 저렴하지만 에너지 밀도가 낮습니다.
결론적으로 리튬이온 배터리는 현재 전기차 배터리의 주류지만, 대체 기술들도 활발히 연구되고 있어 미래에는 더욱 효율적이고 안전한 배터리 기술이 등장할 가능성이 큽니다.
충전 중에는 외부 전원으로부터 전류가 배터리에 공급됩니다. 이 전류는 양극(주로 흑연 또는 탄소)에서 음극(주로 리튬 금속 산화물)으로 이동합니다. 전자가 외부 회로를 통해 양극에서 음극으로 이동하면, 양극에 있는 리튬 이온(Li⁺)이 전해질을 통해 음극으로 이동합니다. 음극으로 이동한 리튬 이온은 음극의 구조 내에 삽입되어 저장됩니다. 이 과정을 삽입(intercalation) 또는 삽입반응이라고 합니다. 리튬 이온이 모두 음극에 삽입되면 배터리는 충전된 상태가 됩니다.
충방전 만 놓고 보았을때 리튬이온 배터리보다 이점이 있는 LFP배터리를 장착하는 배터리들이 등장하고 있으나, 현재 활발한 연구들이 진행되고 있는 전해질을 액체에서 고체로 바꾼 solid-state battery가 개발 중에 있습니다.