Li metal 2차 전지 조립 및 성능 결보

목차

a. 리튬이온전지의 구성요소와 각 구성요소에 대하여 설명하시오.
b. 현재 상용화된 셀에 쓰이고 있는 LiCoO2(양극)와 Graphite(음극), Li metal의 이론 용량을 구하시오.
c. LiCoO2의 실제 전지에서의 용량은 이론 용량의 50~60% 밖에 사용할 수 없고, 또한 충전함에 따라 LiCoO2의 부피가 증가한다. 그 이유를 설명하시오.
d. 밑에 그림과 같이 Graphite를 음극의 경우 충전,방전 시 세 번의 potential plateau가 생기는 이유를 설명하시오.

본문내용

c. LiCoO2의 실제 전지에서의 용량은 이론 용량의 50~60% 밖에 사용할 수 없고, 또한 충전함에 따라 LiCoO2의 부피가 증가한다. 그 이유를 설명하시오.
Li+ 이온이 graphite의 층상 구조 사이로 들어가거나 다시 양극의 층상 구조 사이로 돌아갈 때 격자 사이사이에 골고루 퍼져서 들어가는 것이 아니라, 거리적으로 가까운 표면 쪽에 국한되어 침투할 것이기 때문에, 층상 사이사이 격자에 모두 Li+이온이 들어갈 때 계산 된 이론 용량에 비해서는 당연히 작은 수치가 나올 것이다. 물론 층상에서 빠져 나오지 못하는 이온들도 있을 것이다. 충 방전이 될 때 LiCoO2 의 표면에 도달한 Li+ 이온이 층상구조 사이사이에 도달하지 못하고 표면에서 존재하다가 다른 Li+ 이온들과 만나서 응집됨으로 인해 표면부터 Dendrite 구조의 Li 덩어리들이 생성되어 부피가 증가할 것이다. 그리고 Li+ 이온이 들어갔다 나왔다 할 때 결정 구조상의 변화를 수반하여 부피를 증가시킬 것이다. 즉, Li+ 이온이 충전될 때 graphite의 층상 구조를 빠져 나가게 되는데, 이때 빠져나가는 양이 적거나 많으면 구조적인 안정도를 유지하기 위해 일부 전이금속들이 Li의 자리로 들어오게 되어 부피의 팽창을 수반할 것이다.

d. 밑에 그림과 같이 Graphite를 음극의 경우 충전,방전 시 세 번의 potential plateau가 생기는 이유를 설명하시오.
음극을 graphite로 사용했을 경우, 충 방전 시 graphite 사이로 들어갔던 Li+ 이온이 다시 돌아가지 못하고 남아있던 이온들이 graphite층 표면에 존재하던 -COOH, -OH, -CO2 와 전해질이 반응하면서 용매분해현상을 일으키기 때문이다. 즉 Li+ 이온이 반응을 안 하면서 전체 반응이 비가역적으로 이루어지게 되고 이때 용매분해현상을 일으키게 되면서 graphite전극 계면에 피막이 형성(Solid electrolyte interface)되어 이온의 이동을 방해하기 때문에 처음 몇 cycle 동안 전위평탄전압 구역이 생길 것이다.

참고 자료

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Chemical properties of various organic electrolytes for lithium rechargeable batteries 1. Characterization of passivating layer formed on graphite in alkyl carbonate solutions Shoichiro Mori *, Hitoshi Asahina, Hitoshi Suzuki, Ayako Yonei, Kiyomi Yokoto
T. Ohzuku, K. Nakura, T. Aoki, Electrochim. Acta 45, 151 (1999)