[재료공학] 리튬이온배터리의 미래와 기술방향

소개글

[재료공학] 리튬이온배터리의 미래와 기술방향에 대한 보고서 자료입니다.

목차

서론

본론결론

참고자료

본문내용

않게 유지하는 역할을 한다. 그러나 리튬이온 2차전지에서는 구성재료상 가연성 물질 (탄소, 전해액 등)이 사용되고 있으므로 극단적인 오용의 경우 발화 등의 사고가 일어날 수 있는데, 이 때 격막도 그 대책의 일익을 맡고 있다. 즉 리튬이온 2차전지에서의 격막은 다공성 폴리에틸렌 또는 폴리프로필렌 등의 고분자 박막을 사용하는데, 평상의 충방전시에는 격막의 미세공으로 전달되는 역할을 하고 있다가, 만약 전지에서 외부단락이 일어나 순간적인 대전류가 흘러 전지내부의 온도가 고분자의 융점까지 급상승하게 되면 격막이 용융되어 미세공이 막히고 이온 투과가 저지되므로 온도 상승을 정지시킬 수 있다.
리튬이온 고분자 2차전지
리튬이온 고분자 전지는 전해질 부분 외에 리튬이온 전지와 구성이 동일한 전지이다. 즉 액체 전해질 대신 고체 고분자 재료가 사용되는 전지로서, 전해액의 누액이 없고, 고분자 특유의 가소성 (plasticity)을 이용하여 전지의 박형화 또는 슬림화 등 다양한 형태로 제조할 수 있고, 기술 개선에 따라 제조공정의 단순화도 기할 수 있을 뿐만 아니라 덴드라이트 현상도 없어 안전성이 한층 확보된다는 등의 장점을 가진다. 따라서 휴대용 통신기기와 노트북, 캠코더 등은 물론 고도의 안전성 및 신뢰성이 요구되는 전기자동차용 전지 및 전력저장용 축전지로도 응용이 가능하다. 특히 휴대전화용 소형전원에 가장 알맞게 슬림화가 극단적으로 가능한 전지가 비로 이 리튬이온 고분자 2차전지이다.
리튬이온 고분자 전지의 고체 고분자 전해질은 보통 고분자 매트릭스에 유기용매와 리튬염을 혼합하여 조성된 혼성 겔형 매질이다. 고체 고분자 전해질에 대한 연구의 초기에는 고분자 자체에 리튬염을 혼합한 순수 고체형 전해질이 개발되었으나 고분자 내에서 리튬염의 해리 및 이온의 원활한 이동이 가능할만큼 고분자 사슬 운동이 유연하지 못한 경우가 많았다. 결과적으로 순수 고체형 전해질에서의 이온전도도가 매우 낮아서 실제 전지에 채용되어 상용화된 예가 거의 없는 실정이다. 이보다 상용화에 한 단계 가까운 경우가 바로 혼성 겔형 고분자 전해질로서, 고분자 매트릭스 내의 미세 기공 부분에 리튬염이 유기 용매에 녹아 있는 전해용액이 함침되어 있는 상태이다. 즉 거시적으로는 고체 고분자의 점탄성적 성질을, 미시적으로는 액체 전해질의 특성을 동시에 가지고 있어 상온에서 보통 10-3 S/cm의 높은 이온전도도를 나타낼 수 있다. 여기에서 가장 많이 사용하는 고분자로는 poly(ethylene oxide) (PEO), polyacrylonitrile (PAN), poly(methyl methacrylate) (PMMA), poly(vinylidene fluoride) (PVdF) 등이 있다.
리튬이온 고분자 2차전지는 여러 가지 혼성 겔형 고분자 전해질을 사용하고 나머지는 리튬이온 2차전지의 경우와 동일하게 기술 개발이 이루어지고 있는데 현재 각국의 개발 현황에 관해서는 표-3을 참조할 수 있다.
이러한 리튬이온 고분자 2차전지의 개발이 지속적으로 이루어지고 있으나, 양산에 성공한 후에도 리튬이온 2차전지와 경합하여 시장성을 증대시킬려면 꾸준한 성능 개선이 이어져야 한다. 현재 휴대전화 1대당 필요한 용량이 최저 300~400 mAh이기 때문에 전지의 사이즈를 고려하면 두께는 3~5 mm까지 줄일 수 있는데, 리튬이온 전지로는 상당히 어려운 과제가 되나 리튬이온 고분자 전지는 아직 기술 개발의 여지가 있는 문제이다.
기타 전망
리튬 고분자 2차전지, 즉 리튬 금속을 음극에 채용하면서 고체 고분자 전해질로의 리튬이온의 이동이 가능케 하는 2차전지의 연구가 최근에 다시 활성화되고 있다. 이것은 순수 고체형 고분자 전해질 연구의 일환으로 시작되면서 지난 10여년간 다양한 고분자 소재에 대해 고분자 사슬운동의 유연화, 이온전도도의 향상, 리튬금속과의 반응성 개선을 위한 연구가 꾸준히 수행되고 있다. 그 결과 2가지 고분자를 블랜딩시키는 방법, 고분자 사슬에 측쇄기를 도입하는 방법, 저분자량 고분자를 사용하여 무정형이 존재하는 온도영역을 확장시키는 방법, 새로운 전해염의 개발 등 많은 연구가 이루어진 바, 현재 이온전도도는 상온에서 10-4 S/cm 수준에
육박하고 있다.
또한 고분자화된 전해질을 사용하면서 양극에 유기유황계 재료를 채택하는 연구도 조금씩 진행되고 있는데, 이는 작동전압이 낮다는 문제점이 있기는 하지만 자원 수급 및 가격 면에서 유리하고 에너지밀도가 매우 높다는 점은 ([그림9] 참조) 상당히 매력적인 부분이다. 실제로 미국의 Polyplus에서 발표한 polysulfide 화합물 양극 전지, Moltech에서 발표한 poly(carbon disulfide) 양극 전지 등이 유망한 것으로 생각되지만, 작동전압, 고부하 특성, 저온 특성 앞으로 해결하여야 할 문제점이 아직 많이 남아 있다.
결론
리튬이온전지의 미래에 대한 향후 발전동향은 다음과 같다.
첫째 에너지 밀도가 높아 최신의 소형화의 추세에 따라 많이 쓰일것이다.리튬 이온 전지는 같은 용량의 니카드 혹은 니켈수소 전지에 비해 질량이 절반에 지나지 않는다.
둘째 작동전압(3.7V)이 높아 앞으로의 전망이 밝으며,셋째 수은,납과같은 오염물질을 사용하지 않는 무공해이며,넷째 리튬이온전지는 리튬 금속을 사용하지 않아 더욱 안전할 것이다.
다섯째 정상적인 조건하에서 리튬 이온 전지는 500회이상의 충전/방전 수명을 지녀,다른 전지에 비해 더욱 매력적이다.
여섯째 메모리 효과가 없어 니카드 전지와 같이 불완전한 충전과 방정이 반복적으로 이루어져 전지의 용량이 감소하는 메모리 효과가 미미하며,마지막으로 고속충전이 가능하여 4.2V의 전압으로 1-2시간 안에 완전하게 충전할 수 있게 되어 무엇보다도 미래 전지의 핵심주역이 될것이다.
궁극적으로 경쟁력 확보를 위해서는 경쟁구도를 바꿀 수 있는 원재료 확보가 필요하며,아울러 고용량의 새로운 정극,부극 활물질 개발이 원재료 개발의 핵심으로 Co,Ni보다 낮은 비용의 이차전지용 신소재 개발,높은 전압을 요하는 전지,열적안정성을 지닌 새로운 이차전지용 소재개발에 박차야 할것이다.
참고문헌 및 자료: 리튬이온배터리의 미래

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경영,   경제,   사회,   조사,   분석,   레포트,   보고서