리튬이온전지의 원리와 구조
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- 목차
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1. 리튬전지의 원리
2. 리튬이온 베터리 사고의 원인
3. 폭발사고에 대한 대책
4. 출처
- 본문내용
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소재과학과 공학
1. 리튬전지의 원리
1) 1차리튬전지
현재 많이 생산되고 있는 리튬전지의 구조이다. 원통형의 양극은 MnO₂분발(약 80%), 아세틸렌 블랙(약 10%), 폴리테트라 플루오로 에틸렌 에멀션(약 10%)을 혼합하여 장방형의 금속망에 압착한 것이다. 음극은 0.07~0.02mm의 금속 리튬 후막이다. 양극과 음극 사이에는 분리기로 다공성 폴리프로필렌 불기포(不機布)를 설치하여, 이 모두를 둥근 금속 캔에 넣는다. 양극, 분리자, 음극 사이에는 유기 전해액을 넣어 이온 전도성을 지니게 한다.[1]
2) 2차리튬전지
가. 리튬이온전지의 원리
• 리튬이온이 층구조인 양극과 음극 사이를 유기전해액을 통해 이동함으로서 금속리튬의 안정성 문제를 획기적으로 개선시킨 전지.
• 충방전의 원리
전지가 충전될 때 리튬이온은 분리막을 통하여 양극에서 음극으로 이동하며 이때 충전 전류가 흐른다. 반대로 방전될 대 리튬이온은 음극에서 양극으로 이동하며 방전전류가 흐른다.[2]
나. 리튬 이온 폴리머 전지
리튬 이온 폴리머 전지는 액체 전해질을 사용하는 리튬 이온 전지의 안정성 문제를 해결하기 위한 노력에 의해 만들어진 전지로 그 작동원리는 리튬이온 전지와 동일하다. 하지만, 리튬 폴리머 전지는 젤타입의 고분자가 양극과 음극 사이의 분리막을 구성하며, 전해질의 역할까지 한다. 이는 리튬 이온이 가지는 장점을 모두 가지면서, 가장 큰 단점이었던 양극성 문제를 이온 전도도가 우수한 고체 전해질을 사용, 액체 전해질을 사용하던 전지의 단점인 누액 가능성과 폭발 위험성을 개선했다는 것이다. [3]
2. 리튬이온 베터리 사고의 원인
1) 과충전
배터리의 충전 원리는 휴대폰이나 노트북의 베터리에 전류가 공급되면 양극활물질인 리튬코팔트산화물에서 리튬이온이 빠져나와 음극활물질인 탄소에 저장된다, 그런데 과충전이 되면 양극에서 리튬이온이 지나치게 많이 빠져나와 음극에 충전되고, 양극에는 산소가 따로 과다하게 남게 돼 불안정한 상태가 된다. 이 산소는 스스로 안정화되기 위해 전해질 내의 유기화합물과 반응하면서 이산화탄소 가스를 만들거나 화학반응에 따른 열을 발생시키면서 전해질 등 액체를 기체로 만들면서 부피를 팽창시키게 된다. 기체가 많이 생기면 픽하고 바람빠지는 소리처럼 녹아 내리거나 소위 폭발을 일으키는 것이다.
2) 소트(단락, 합선)
양극과 음극은 분리막으로 떨어져 있어 급격한 화학반응은 일어나지 않도록 되 있다. 하지만 분리막이 새거나 도체 등에 의해 양극과 음극이 합선이 될 경우 많은 야의 전류가 갑자기 지나치게 빠르게 흐르게 된다. 이 때 회로선 내에서 전자의 빠른 흐름에 따른 마찰로 인해 저항열이 발생한다. 이같은 높은 저항열은 1/1000mm의 작은 부분에서도 발생할 수 있는데, 그 연쇄반응에 의해 확산된다. 이 열로 인해 전해액의 액체가 기화(긇는 온도 200도 가량)되면서 가스상태가 돼 부피가 부풀려지고 폭발에 이르게 되는 것이다.
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