1. 전지개요 1.1. 전지란? 전지 (battery) 는내부에들어있는화학물질 ( 활물질 ; active material) 의화학에너지 (chemical energy) 를전기화학적산화-환원반응 (electrochemical oxidation-reduction reaction) 에의해전기에너지로 (electrical energy) 변환하는장치이다. 정확한의미에서 " 전지 " 라는용어는두개이상의전기화학적셀 (cell) 의집합체를나타내지만, 보통단위전지 (single cell) 에도사용되고있다. 전지는화학반응대신전기화학반응이일어나전자 (electron) 가도선을통하여외부로빠져나갈수있도록특별한내부구조로이루어져있으며, 도선을통하여흐르는전자 flow는전기에너지의원천이되어인간에게유용한 work 를제공한다. 1.2. 전지의구성요소모든전지는양극 (cathode or positive electrode) 과음극 (anode or negative electrode) 이라는활물질들을가지고있고, 분리막 (separator) 에의해서로떨어져있으며또한두전극사이의이온전달을가능케하는전해질 (electrolyte) 에담겨져있다. 전등, 기계, 기구등을작동하기위해서는전지의두전극사이에충분한전압과전류가생성될수있도록적절한전극물질과전해질이선정되어특별한구조로배열되어져야한다
1.3. 전지의원리 전지의음극은보통전자를내어주고자신은산화되는물질이며, 양극은전자를받아 ( 양이온과함께 ) 자신은환원되는물질로서, 전지가외부 load ( 전등, 기구 ) 와연결되어작동할때, 즉전지의방전반응이진행할때두전극은각각전기화학적으로다른상태로의변화를일으킨다. 이때음극의산화반응에의해생성된전자는외부 load를경유하여양극으로이동하고양극물질과환원반응을일으킨다. 이때전기적회로는음극과양극방향으로의 anion (negative ion) 과 cation (positive ion) 의물질이동에의해전해질내에서완성된다. 전지를사용함에따라전지의전압은 계속낮아지고결국외부 load 를작동시킬수없을때까지이르게된다. 이경우버리게되는 전지를 1 차전지, 재충전하여다시사용할수있는전지를 2 차전지라한다. 재충전시에는 방전반응과는반대의반응이진행되어전지본래의화학적상태로되돌아가기때문에재사용이 가능한것이다.
1.4. 세계최초의전지 독일의고고학자 Wilhelem Koenig가 1932년바그다드동방의호야트럽퍼에서점토로굳힌화병 ( 花甁 ) 형상의전지를발굴하였다. 이전지는호야트럽퍼전지또는바그다드전지라고도불리며약 2000년전의세계최고의전지로추정된다. 이전지는작은점토기내측에얇은동통 ( 銅筒 ) 과중앙에철봉 ( 鐵棒 ) 을넣은것으로서하부와상부를아스팔트로봉하고있다. 전해액으로는와인또는초를사용하고약 0.8 V의전압이얻어진것으로추정된다. 이전지를직렬로접속하여아라비아의금, 은세공 직공이기물 ( 器物 ) 에전기도금을하는데사용한것으로추정된다.
2. 리튬이온전지의개요. 역사적으로납 (Lead-acid) 축전지, 니카드 (Ni-Cd) 전지, 니켈수소 (Ni-MH) 전지는소형 2차전지로서많이사용되어져왔다. 휴대용, 무선전자제품들의개발이증가하고있는현재의추세로볼때, 이들제품들의소형화및경량화를위해에너지밀도가높은 2차전지의필요성이크게대두되고있다. 또한, 환경보전에대한관심이높아짐에따라환경친화적인제품에대한관심도높아지고있다. 리튬이온 2차전지는이와같은요구를충족시킬수있는강력한후보이다. 리튬이온 2차전지는에너지밀도가높고, 작동전압이높을뿐아니라우수한보존및수명특성을보이는등의많은장점을지니고있다. 따라서리튬이온 2차전지는 3C로불리우는개인용컴퓨터 (Personal Computer), 캠코더 (Camcorder), 휴대용전화기 (Cellular phone) 외에도휴대용 CD player나 PDA와같은개인용무선전자제품에도폭넓게적용되고있다
2.1. 원리 - + 전류 전류
리튬이온전지는두전극 ( 양극과음극 ) 과리튬이온을두전극간에가역적으로전달할수있는물질로구성된다. 전지는 rocking chair principle 이라고불리우는원리에의해작동되는데 rocking chair principle이란전지를충전및방전함에따라리튬이온이양극과음극사이를교대로드나드는 ("rock" back and forth) 것을이야기한다. 이러한원리는리튬금속 2차전지의작동원리와는근본적으로다르며충방전을함에따라양극과음극물질의변화가없기때문에안전하다. 제조공정에서실시되는첫충전에의해양극의리튬함유화합물로부터리튬이온이음극의탄소재에이동된다. 첫충전 LiCoO2 + C Li1-xCoO2 + LixC 그후의방전 / 충전반응은역시음극과양극사이를리튬이온이이동하는것에의하여일어나게된다. 충전 Li1-xCoO2 + LixC Li1-x+dxCoO2 + Lix-dxC 방전
2.2. 전지의구성도 원통형리튬이온전지와각형리튬이온전지의구성도이다. 리튬이온전지의내부는그림에서보듯이미세한공극 (pore) 을가진 polyethylene 필름의분리막이시트 (sheet) 형태의양극과음극사이에놓여있는것을나선형으로감은구조로되어있다. 양극은리튬코발트산화금속의활물질을리튬공급원으로사용하고, 전류집전체인알루미늄호일로구성되어있고, 음극은활물질로서흑연화탄소와전류집전체인구리호일로구성되어있다. 전해액은 LiPF6가용해된유기용매이다. 또한리튬이온 2차전지는가혹한조건하에서내부압을방출하기위한안전변 (safety vent) 이있을뿐만 PTC(Positive Temperature Coefficient) 소자가있어외부단락에의한급격한전류를정상적인방전전류로낮추어주는역할을한다.
2.2.1. 리튬이온이차전지의구성요소 구분주요구성요소 양극 (Positive Electrode) 음극 (Negative Electrode) 격리막 (Separator) 전해액 (Organic Electrolyte) 안전장치 (Safety Devices) 활물질, 도전제, 결합제, 기재활물질, 결합제, 기재미세다공성폴리에틸렌수지막리튬염 + 유기용매 (LiPF6,LiBF4,LiClO4등) + (EC, PC, DMC, DEC등 ) Safety Vent, PTC, CID, 보호회로
* 양극재료 충전시에리튬이 undoping 되고, 방전시에는 doping 될수있는화합물 Ex) LiCoO2( 코발트산리튬 ) LiNiO2( 니켈산리튬 ) LiMn2O4( 스피넬형리튬망간산화물 ) * 음극재료탄소재료가사용되고있다 Ex) 흑연계 (Graphite series), 탄소흑연 ( 코크스계 )(Graphitizable carbon), 난흑연화성탄소계 (Nongraphitizable carbon) * 전해액유기용매를주체로하는비수전해액을이용하고, 용매에는리튬염을용해해이온도전성을부여하고리튬과의화학반응을막기위해비프론성극성을가진것이사용된다 * 격리막양극과음극사이의전자적물리적접촉을방지하면서이온을통과시키는 Spacer로서이용
2.2.2. 리튬이온이차전지의구조 원통형 (Cylindrical type) 각형 (Prismatic type)
2.3. 전지의제조공정리튬이온전지는정극및부극활물질을소정의금속 foil에도포하고, 격리막을전극사이에넣고감아서, 금속용기에삽입하고, 전해액을충진하고밀봉하여완성한다리튬이온전지의제조는그우수한특성을확보하기위해, 충분히관리되는설비와환경을기본으로행해지고있다. 그제조공정은크게3개의공정으로나뉘어진다. 전극공정, 조립공정과충방전공정이다. 電極工程 : 전극활물질 ( 電極活物質 ) 을이용하여전극합제 ( 電極合劑 ) 를제조한다. 그전극합제를얇은금속박의양면에균일하게도포한다. 전극합제의도포량은전지성능에큰기여를하기때문에그 Control은특히중요하다. 組立工程 : 유기용매를전해액에이용한전지에있어서, 수분의제거는필수적인과제다. 그때문에전지를구성하는전체의부품과재료는충분히탈수되어진것이이용되고있다. 또한전지를조립하는환경도충분히수분이제거되어있지않으면안된다. 그점에서전지의조립은드라이룸에서행해지고있다. 또한전지에이물등이혼입되면전지고장의원인이되기때문에조립공정에있어서는제진 ( 除塵 ) 에도충분히배려가되고있다. 충방전공정 : 리튬이온전지는충전을해서비로소전지로된다. 그래서충전을한후방전용량의검사를행하고, 조전지를제작할때에는용량이균일한전지를사용하도록한다.
양극합제 (Cathode) 음극합제 (Anode) 활물질 (LiCoO2) 결합제 (PVDF) 도전제 (AB) 분산용매 (NMP) 활물질 (Carbon) 결합제 (PVDF) 분산용매 (NMP) 혼합 (Mixing) 혼합 (Mixing) Al Foil 도포 (Coating) 도포 (Coating) Cu Foil 건조 (drying) 건조 (drying) 프레스 (Pressing) 프레스 (Pressing) 절단 (Slitting) 절단 (Slitting)
양극합제 (Cathode) 격리막 (Separator ) 음극합제 (Anode) 권취 (Winding ) Inserting into Can Bottom Welding Inserting Center Pin Inserting Gasket Electrolyte Filling
Gasket pitch coating 봉입 (Sealing) Aging / Formation 2~4 주 Grading