리튬 이온 배터리란?

1 리튬 이온 배터리란 무엇입니까?

배터리는 전기 장치에 전력을 공급하기 위한 외부 연결이 있는 하나 이상의 전기화학 전지로 구성된 전력원입니다. 리튬 이온 또는 리튬 이온 배터리는 리튬 이온의 가역적 환원을 사용하여 에너지를 저장하고 높은 에너지 밀도로 유명한 충전식 배터리 유형입니다.

2 리튬 이온 배터리의 구조

일반적으로 대부분의 상업용 리튬 이온 배터리는 삽입 화합물을 활성 물질로 사용합니다. 일반적으로 배터리는 양극, 음극, 전해질, 분리막 및 전류 수집기 등 배터리가 에너지를 저장하고 방출할 수 있도록 하는 전기화학 공정을 촉진하기 위해 특정 순서로 배열된 여러 층의 재료로 구성됩니다.

양극이란 무엇입니까?

양극은 배터리의 구성요소로 배터리의 용량, 성능, 내구성에 중요한 역할을 합니다. 충전 시 흑연 양극은 리튬 이온을 수용하고 저장하는 역할을 합니다. 배터리가 방전되면 리튬 이온이 양극에서 음극으로 이동하여 전류가 생성됩니다. 일반적으로 상업적으로 사용되는 가장 일반적인 양극은 흑연이며, 완전히 리튬화된 LiC6 상태에서 최대 용량은 1339C/g(372mAh/g)입니다. 그러나 기술이 발전함에 따라 리튬이온 배터리의 에너지 밀도를 향상시키기 위해 실리콘과 같은 신소재가 연구되고 있습니다.

음극이란 무엇입니까?

음극은 현재 주기 동안 양으로 충전된 리튬 이온을 수용하고 방출하는 역할을 합니다. 일반적으로 전하집전체(보통 알루미늄으로 만들어짐)에 코팅된 층상 산화물(예: 리튬코발트 산화물), 폴리음이온(예: 인산철리튬) 또는 스피넬(예: 리튬망간산화물)의 층상 구조로 구성됩니다. 

전해질이란 무엇입니까?

전해질은 유기용매 속에 리튬염으로 존재하며, 충방전 시 리튬이온이 양극과 음극 사이를 이동하는 매개체 역할을 한다.

분리기 란 무엇입니까?

분리막은 비전도성 물질로 이루어진 얇은 막 또는 층으로 양극(음극)과 음극(양극)의 단락을 방지하는 역할을 합니다. 이 층은 리튬 이온은 투과하지만 전자는 투과하지 못하기 때문입니다. 또한 충전 및 방전 중에 전극 사이의 안정적인 이온 흐름을 보장할 수 있습니다. 따라서 배터리는 안정적인 전압을 유지하고 과열, 연소 또는 폭발의 위험을 줄일 수 있습니다.

집전체란 무엇입니까?

집전체는 배터리 전극에서 생성된 전류를 수집하여 외부 회로로 전달하도록 설계되었으며, 이는 배터리의 최적 성능과 수명을 보장하는 데 중요합니다. 그리고 일반적으로 알루미늄이나 구리의 얇은 시트로 만들어집니다.

3 리튬 이온 배터리의 개발 역사

충전식 리튬 이온 배터리에 대한 연구는 1960년대로 거슬러 올라갑니다. 가장 초기 사례 중 하나는 NASA에서 개발한 CuF2/Li 배터리입니다. 1965 그리고 1970년대 세계적으로 석유파동이 닥치면서 연구자들은 대체 에너지원에 관심을 돌렸고, 리튬이온 배터리의 경량화와 높은 에너지 밀도 덕분에 가장 초기 형태의 현대 리튬이온 배터리를 생산하는 획기적인 발전이 이루어졌습니다. 동시에 Exxon의 Stanley Whittingham은 리튬 이온을 TiS2와 같은 물질에 삽입하여 충전용 배터리를 만들 수 있음을 발견했습니다. 

그래서 그는 이 배터리를 상용화하려고 시도했지만 높은 비용과 셀에 금속 리튬이 존재한다는 이유로 실패했습니다. 1980년에 새로운 물질이 더 높은 전압을 제공하고 공기 중에서 훨씬 더 안정하다는 사실이 밝혀졌습니다. 이 물질은 나중에 최초의 상업용 리튬 이온 배터리에 사용되었습니다. 그러나 자체적으로 지속적인 가연성 문제를 해결하지는 못했습니다. 같은 해 Rachid Yazami는 리튬 흑연 전극(양극)을 발명했습니다. 그리고 1991년에는 세계 최초의 충전식 리튬 이온 배터리가 시장에 출시되기 시작했습니다. 2000년대에는 휴대용 전자기기가 대중화되면서 리튬이온 배터리에 대한 수요가 증가했으며, 이로 인해 리튬이온 배터리는 더욱 안전하고 내구성이 향상되었습니다. 2010년대에는 전기자동차가 출시되면서 리튬이온 배터리의 새로운 시장이 탄생했습니다. 

실리콘 양극, 고체 전해질 등 새로운 제조 공정과 소재의 개발로 리튬이온 배터리의 성능과 안전성이 지속적으로 향상되었습니다. 오늘날 리튬이온 배터리는 우리 일상생활에 없어서는 안 될 필수품이 되었으며, 이러한 배터리의 성능과 효율성, 안전성을 향상시키기 위한 신소재와 기술의 연구개발이 계속되고 있습니다.

4.리튬이온 배터리의 종류

리튬 이온 배터리는 모양과 크기가 다양하며 모든 배터리가 동일하게 만들어지는 것은 아닙니다. 일반적으로 리튬이온 배터리에는 5가지 종류가 있습니다.

l 리튬 코발트 산화물

리튬 코발트 산화물 배터리는 탄산 리튬과 코발트로 제조되며 리튬 코발트 또는 리튬 이온 코발트 배터리라고도 합니다. 이 배터리에는 산화코발트 음극과 흑연탄소 양극이 있으며, 방전 중에 리튬 이온이 양극에서 음극으로 이동하고, 배터리가 충전되면 흐름이 역전됩니다. 용도는 높은 비에너지, 낮은 자체 방전율, 높은 작동 전압 및 넓은 온도 범위로 인해 휴대용 전자 장치, 전기 자동차 및 신재생 에너지 저장 시스템에 사용됩니다. 그러나 관련된 안전 문제에 주의하십시오. 고온에서 열 폭주 및 불안정성이 발생할 가능성이 있습니다.

l 리튬 망간 산화물

리튬 망간 산화물(LiMn2O4)은 리튬 이온 배터리에 일반적으로 사용되는 양극 재료입니다. 이러한 종류의 배터리에 대한 기술은 1980년대에 처음 발견되었으며, 1983년 Materials Research Bulletin에 처음 출판되었습니다. LiMn2O4의 장점 중 하나는 열 안정성이 좋다는 것입니다. 즉, 열 폭주가 발생할 가능성이 적고 다른 리튬 이온 배터리 유형보다 안전합니다. 또한 망간은 풍부하고 널리 이용 가능하므로 코발트와 같이 제한된 자원을 함유한 양극재에 비해 더 지속 가능한 선택이 됩니다. 결과적으로 의료 장비 및 장치, 전동 공구, 전기 오토바이 및 기타 응용 분야에서 자주 발견됩니다. 장점에도 불구하고 LiMn2O4는 LiCoO2에 비해 사이클링 안정성이 낮습니다. 즉, 더 자주 교체해야 할 수 있으므로 장기 에너지 저장 시스템에는 적합하지 않을 수 있습니다.

l 리튬인산철(LFP)

인산염은 종종 리튬인산염 배터리로 알려진 인산철리튬 배터리의 음극으로 사용됩니다. 낮은 저항으로 인해 열 안정성과 안전성이 향상되었습니다. 또한 내구성과 긴 수명 주기로 유명하여 다른 유형의 리튬 이온 배터리에 비해 가장 비용 효율적인 옵션입니다. 결과적으로 이러한 배터리는 전기 자전거 및 긴 수명 주기와 높은 수준의 안전성이 요구되는 기타 응용 분야에 자주 사용됩니다. 그러나 단점으로 인해 빠른 개발이 어렵습니다. 첫째, 다른 종류의 리튬이온 배터리에 비해 희귀하고 고가의 원자재를 사용하기 때문에 가격이 더 비쌉니다. 또한 인산철리튬 배터리는 작동 전압이 낮기 때문에 더 높은 전압이 필요한 일부 응용 분야에는 적합하지 않을 수 있습니다. 충전 시간이 길기 때문에 빠른 재충전이 필요한 애플리케이션에서는 단점이 됩니다.

l 리튬 니켈 망간 코발트 산화물 (NMC)

NMC 배터리라고도 알려진 리튬 니켈 망간 코발트 산화물 배터리는 리튬 이온 배터리에 보편적으로 사용되는 다양한 재료로 구성됩니다. 니켈, 망간, 코발트의 혼합으로 구성된 음극이 포함되어 있습니다. 높은 에너지 밀도, 우수한 사이클링 성능 및 긴 수명으로 인해 전기 자동차, 그리드 스토리지 시스템 및 기타 고성능 애플리케이션에서 첫 번째 선택이 되었으며, 이는 전기 자동차 및 재생 에너지 시스템의 인기가 높아지는 데 더욱 기여했습니다. 용량을 늘리기 위해 새로운 전해질과 첨가제를 사용하여 4.4V/셀 이상으로 충전할 수 있습니다. 시스템이 비용 효율적이고 우수한 성능을 제공하기 때문에 NMC 혼합 리튬 이온을 선호하는 경향이 있습니다. 니켈, 망간, 코발트는 빈번한 사이클링이 필요한 광범위한 자동차 및 에너지 저장 시스템(EES) 응용 분야에 적합하도록 쉽게 결합할 수 있는 세 가지 활성 물질입니다.

 NMC패밀리가 점점 다양해지고 있는 모습을 볼 수 있습니다.

그러나 열 폭주, 화재 위험 및 환경 문제의 부작용으로 인해 추가 개발이 방해될 수 있습니다.

l 티타늄산리튬

리튬티타네이트라고도 알려진 티탄산리튬은 점점 더 많은 용도로 사용되는 배터리 유형입니다. 뛰어난 나노 기술로 인해 안정적인 전압을 유지하면서 급속 충전 및 방전이 가능하므로 전기 자동차, 상업용 및 산업용 에너지 저장 시스템, 그리드 레벨 스토리지와 같은 고전력 애플리케이션에 매우 적합합니다. 안전성과 신뢰성을 갖춘 이 배터리는 군사 및 항공우주 분야뿐만 아니라 풍력 및 태양 에너지 저장, 스마트 그리드 구축에도 사용될 수 있습니다. 또한 Battery Space에 따르면 이러한 배터리는 전력 시스템에 중요한 백업에 사용될 수 있습니다. 그럼에도 불구하고, 리튬 티타네이트 배터리는 생산에 필요한 복잡한 제조 공정으로 인해 기존 리튬 이온 배터리보다 더 비싼 경향이 있습니다.

5.리튬이온전지의 개발 동향

재생 가능 에너지 설비의 글로벌 성장으로 인해 간헐적인 에너지 생산이 증가하여 불균형한 그리드가 생성되었습니다. 이로 인해 배터리에 대한 수요가 발생했습니다. 탄소 배출 제로에 초점을 맞추고 전력 생산을 위해 화석 연료, 즉 석탄에서 벗어나야 하는 필요성으로 인해 더 많은 정부가 태양열 및 풍력 발전 설치를 장려하게 되었습니다. 이러한 설치는 생성된 초과 전력을 저장하는 배터리 저장 시스템에 적합합니다. 따라서 리튬 이온 배터리 설치를 장려하는 정부 인센티브도 리튬 이온 배터리 개발을 촉진합니다. 예를 들어, 전 세계 NMC 리튬 이온 배터리 시장 규모는 2022년 100만 달러에서 2029년 100만 달러로 성장할 것으로 예상됩니다. 2023년부터 2023년까지 CAGR %로 성장할 것으로 예상됩니다. 2029  그리고 무거운 부하를 요구하는 애플리케이션에 대한 요구가 증가함에 따라 3000~10000의 리튬 이온 배터리가 예측 기간(2022~2030) 동안 가장 빠르게 성장하는 부문이 될 것으로 예상됩니다.

6 리튬이온 배터리 투자 분석

리튬 이온 배터리 시장 산업은 2022년 511억 6천만 달러에서 2030년까지 1,181억 5천만 달러로 성장할 것으로 예상되며, 예측 기간(2022~2030년) 동안 연평균 4.72%의 성장률을 보일 것으로 예상되며, 이는 여러 요인에 따라 달라집니다.

l 최종 사용자 분석

유틸리티 부문 설치는 배터리 에너지 저장 시스템(BESS)의 핵심 동인입니다. 이 부문은 2021년 22억 5천만 달러에서 2030년 59억 9천만 달러로 CAGR 11.5%로 성장할 것으로 예상됩니다.  리튬이온전지는 낮은 성장 기반으로 인해 연평균 성장률(CAGR)이 34.4% 더 높다. 주거용 및 상업용 에너지 저장 부문은 2021년 16억 8천만 달러에서 2030년 55억 1천만 달러로 시장 잠재력이 큰 다른 영역입니다. 산업 부문은 기업들이 향후 20년 동안 순제로(net-zero)를 약속하면서 탄소 배출 제로를 향한 전진을 계속하고 있습니다. 통신 및 데이터 센터 기업은 재생 에너지 전력원에 대한 관심이 높아짐에 따라 탄소 배출 감소에 앞장서고 있습니다. 이 모든 것이 국가의 급속한 발전을 촉진할 것입니다.  기업은 안정적인 백업 및 그리드 밸런싱을 보장하는 방법을 찾기 위해 리튬 이온 배터리를 사용합니다.

l 제품 유형 분석

코발트의 높은 가격으로 인해 코발트 프리 배터리는 리튬 이온 배터리 개발 추세 중 하나입니다. 이론적 에너지 밀도가 높은 고전압 LiNi0.5Mn1.5O4(LNMO)는 향후 가장 유망한 Co-free 양극 재료 중 하나입니다. 또한, 실험 결과를 통해 반고체 전해질을 사용함으로써 LNMO 전지의 사이클링 및 C-rate 성능이 향상됨을 입증하였다. 이는 음이온성 COF가 쿨롱 상호작용을 통해 Mn3+/Mn2+ 및 Ni2+를 강력하게 흡수하여 양극으로의 파괴적인 이동을 억제할 수 있다고 제안할 수 있습니다. 따라서 이번 연구는 LNMO 양극재 상용화에 큰 도움이 될 것으로 보인다.

l 지역분석

아시아 태평양은 유틸리티와 산업이 주도하는 2030년까지 가장 큰 고정형 리튬 이온 배터리 시장이 될 것입니다. 이는 2030년에 70억 7천만 달러의 시장으로 북미와 유럽을 추월할 것이며, CAGR 21.3%로 2021년 12억 4천만 달러에서 성장할 것입니다. 북미와 유럽은 향후 20년 동안 경제와 전력망의 탈탄소화 목표로 인해 다음으로 큰 시장이 될 것입니다. 라틴 아메리카는 규모가 작고 기반이 낮기 때문에 CAGR 21.4%로 가장 높은 성장률을 보일 것입니다.

7 고품질 리튬 이온 배터리를 위해 고려해야 할 사항

광태양광 인버터를 구매할 때는 가격과 품질뿐만 아니라 다른 요소도 고려해야 합니다.

l 에너지 밀도

에너지 밀도는 단위 부피당 저장된 에너지의 양입니다. 더 적은 무게와 크기로 더 높은 에너지 밀도를 제공하므로 충전 주기 사이에 더욱 광범위하게 사용됩니다.

엘  안전

리튬이온 배터리는 충전이나 방전 시 폭발, 화재가 발생할 수 있으므로 안전성도 중요한 요소이므로 온도 센서, 억제 물질 등 안전 메커니즘이 향상된 배터리를 선택할 필요가 있습니다.

엘 유형

리튬이온 배터리 산업의 최신 동향 중 하나는 더 높은 에너지 밀도와 긴 수명 등 다양한 이점을 제공하는 전고체 배터리의 개발입니다. 예를 들어, 전기 자동차에 전고체 배터리를 사용하면 주행 성능과 안전성이 크게 향상됩니다.

l 충전 속도

충전 속도는 배터리가 얼마나 빨리 안전하게 충전되는지에 따라 달라집니다. 때로는 배터리를 사용하기 전에 충전하는 데 오랜 시간이 걸릴 수도 있습니다.

l 수명

 배터리는 평생 동안 작동하지 않지만 만료일이 있습니다. 구매하기 전에 만료 날짜를 확인하십시오. 리튬 이온 배터리는 화학적 특성으로 인해 본질적으로 긴 수명을 가지고 있지만 모든 배터리는 유형, 사양 및 제조 방법에 따라 서로 다릅니다. 고품질 배터리는 내부에 고급 소재를 사용하여 더욱 오래 지속됩니다.