배터리 및 이차 전지

배터리는 가역적인 전극 반응을 통해 전기 에너지를 저장합니다. 이차 전지(충전식 전지)는 외부 충전 전류를 통해 이러한 반응을 역전시킴으로써 반복적으로 충방전될 수 있습니다.

Definition

전극의 화학적 상태에 에너지를 저장하고 산화환원 반응을 통해 전기 전류로 방출하는 장치입니다. 이차 전지에서는 반응이 가역적이어서 반복적인 충전 및 방전이 가능합니다.

Scope

이 주제는 배터리의 작동 원리, 즉 전하를 저장하고 방출하는 전극 반응, 일차 전지(일회용)와 이차 전지(충전식)의 구별, 삽입형 리튬 이온 전지의 구조, 용량, 에너지 밀도, 사이클 수명과 같은 주요 성능 지표, 그리고 용량 감소 및 열화의 원인을 다룹니다. 이는 고전적인 납축전지 및 니켈 화학부터 현대적인 리튬 이온 시스템에 이르기까지 폭넓게 포함합니다.

Core questions

• 전극 반응은 어떻게 전기 에너지를 저장하고 방출합니까?
• 충전식 이차 전지는 일회용 일차 전지와 무엇이 다릅니까?
• 리튬 이온 삽입 화학은 어떻게 높은 에너지 밀도를 달성합니까?
• 어떤 과정이 용량 감소를 유발하고 사이클 수명을 제한합니까?

Key theories

삽입 전기화학

리튬 이온 전지에서 리튬 이온은 사이클링 동안 층상 또는 골격 호스트 전극에 가역적으로 삽입 및 탈삽입되어 전극을 용해시키지 않고 전하를 저장하며, 이는 긴 사이클 수명과 높은 에너지 밀도를 가능하게 합니다.

가역성 및 열화

사이클 수명은 전극 반응이 얼마나 깨끗하게 역전되는지에 달려 있습니다. 고체 전해질 계면층 성장, 리튬 석출, 구조 변화와 같은 부반응은 활성 물질과 전해질을 소모하여 용량 감소를 유발합니다.

Clinical relevance

충전식 배터리는 휴대용 전자 기기, 전기 자동차, 의료용 임플란트 및 전력망 에너지 저장 장치에 전력을 공급합니다. 이들의 에너지 밀도, 안전성 및 수명은 전력화 및 재생 에너지 배포에 핵심적이며, 집중적인 재료 연구를 이끌고 있습니다.

History

플랑테는 1859년에 충전식 납축전지를 발명했습니다. 위팅엄은 1970년대에 리튬 삽입을 시연했고, 구디너프는 1980년에 리튬 코발트 산화물 양극을 확인했으며, 요시노는 최초의 실용적인 리튬 이온 전지를 제작하여 1991년에 상용화되었고 2019년 노벨 화학상으로 인정받았습니다.

Key figures

• John B. Goodenough
• M. Stanley Whittingham
• Akira Yoshino
• Gaston Planté

Seminal works

• winter2004
• goodenough2013
• newman2004

Frequently asked questions

충전식 배터리는 왜 시간이 지남에 따라 용량이 감소합니까?

반복적인 사이클링은 고체 전해질 계면층 성장, 순환 가능한 리튬 손실, 전극 균열과 같은 느린 부반응 및 구조 변화를 유발하여 활성 물질을 영구적으로 제거하고 내부 저항을 증가시킵니다.

리튬 이온 배터리가 그렇게 많은 에너지를 저장하는 이유는 무엇입니까?

리튬은 가볍고 높은 전압을 제공하며, 삽입 호스트는 리튬 이온이 구조적 교란이 거의 없이 전극 사이를 가역적으로 이동할 수 있게 하여 높은 전압, 높은 용량 및 긴 사이클 수명을 결합합니다.