#5. 리튬이온 이차전지의 특성

1) 리튬전지가 다른전지에 비하여 에너지가 높은 이유

: 그 이유는 음극으로써 금속 리튬의 표준 환원 전위가 가장 낮기 때문에 리튬 이차전지의 전압이 가장 높다. Li의 원자량은 6.914g/mol로 가장 가벼운 금속 원소이자 무게당 용량이 최대이기 때문에 다른전지에 비하여 높은 에너지를 갖을 수 있다. 

에너지 : 일을 할 수 있는 능력

E (Energy, 에너지) = Q (Capacity, 용량) × V (Voltage, 전압) 

Q : 양극 및 음극 활물질의 저장능력을 의미하며, 무게당/부피당 용량이 클수록 에너지가 높다.
V : 전지의 전압은 양극과 음극의 전압차이를 의미하며, 양극전압이 크고 음극전압이 작을 수록 에너지가 높다.

 

2) 리튬 전지의 평균 작동전압

리튬전지의 평균 작동 전압 = 3.6 ~ 3.8 V 이며, 전지의 전압은 양극의 전압 - 음극의 전압이다. 따라서, 전지의 전압을 높이기 위해서는 '높은 양극 전압'과 '낮은 음극 전압'이 필요하다.

 

Li은 모든 금속 중에서 '이온화 경향'이 가장 높은 금속으로 가장 이온화가 되기 쉽고, 산화되기 쉽다. 이는 환원이 되기 어려워 표준 환원 전위가 가장 낮은 금속임을 의미한다. Li의 표준 환원 전위는 -3.04 V (vs. SHE) 이다. 

 

3) 리튬 이차전지용 양극재료와 음극재료와의 반응전압

• 리튬 이차전지용 양극재료의 반응전압

사용전압을 높이고자 하지만 전해액이 안정하지 못하고 분해되기 때문에 제한됨.

5V 급: LiNi0.5Mn1.5O4, LiCoPO4, LiMeSiO4

4V 급: LiCoC2, LiNiO2, LiMn2O4, LiMnPO4

3V 급: LiMnO2, LiMn2O4, LiFePO4  

 

• 리튬 이차전지용 음극재료의 반응전압

고용량의 재료를 찾다 보니 반응전압이 높아지고 있음.

Li metal : 0V (vs. Li/Li+)

흑연 : ~0.1V (vs. Li/Li+)

비정질탄소 : 0 ~ 1.5V (vs. Li/Li+)

Si-based : ~0.4V (vs. Li/Li+)

전이금속 산화물 : ~2V (vs. Li/Li+)

Li4Ti5O12 : 1.55V (vs. Li/Li+)