리튬 이온 배터리 및 제조상의 과제

리튬 이온 배터리 ~이다 제조 전극 세트로 만든 다음 세포에 조립합니다. 활물질을 폴리머 바인더, 전도성 첨가제 및 용매와 혼합하여 슬러리를 형성한 후 집전체 호일에 코팅하고 건조하여 용매를 제거하고 다공성 전극 코팅을 만듭니다.

단일 리튬 이온 배터리는 없습니다. 다양한 재료와 전기화학 쌍을 사용할 수 있으므로 전압, 충전 상태 사용, 수명 요구 사항 및 안전성 측면에서 해당 응용 분야에 맞는 배터리 셀을 설계하는 것이 가능합니다. 특정 전기화학 쌍을 선택하면 전력 및 에너지 비율과 사용 가능한 에너지의 설계도 용이해집니다.

대형 셀에 통합하려면 최적화된 롤투롤 전극 제조 및 활물질 사용이 필요합니다. 전극은 활물질, 바인더 및 전도성 첨가제의 복합 구조로 금속 집전체 호일에 코팅되어 있으므로 콜로이드 화학, 접착 및 응고에 대한 세심한 제어가 필요합니다. 그러나 추가된 비활성 물질과 전지 포장은 에너지 밀도를 감소시킵니다. 또한 전극의 다공성 및 압축 정도는 배터리 성능에 영향을 줄 수 있습니다.

이러한 재료 문제 외에도 비용은 이 기술을 널리 채택하는 데 중요한 장벽입니다. 시중에서 판매되는 100Wh/kg 및 200Wh/L 배터리를 $500/kWh에서 최대 250Wh/kg 및 400Wh/L의 배터리를 $125/kWh로 가져오는 경로가 모색되고 있습니다.

리튬 이온 배터리의 기본

리튬이온전지는 리튬코발트산화물(LiCoO)의 발견으로 가능해졌다. ₂ )를 사용하면 기존 이온의 절반을 제거할 때까지 리튬 이온을 추출하고 (결정 변화 없이) 대량의 공극을 생성할 수 있습니다. LiCoO의 페어링 ₂ 흑연을 사용하면 탄소 원자의 모든 육각형 고리 사이의 틈새 부위를 차지하는 그래핀 층 사이에 리튬 이온이 삽입될 수 있습니다(Besenhard and Schöllhorn 1976; Mizushima et al. 1980; Whittingham 1976).

리튬 이온은 충전 중에는 양극(음극)에서 고체 또는 액체 전해질을 통해 음극(양극)으로 이동하고, 방전 중에는 반대 방향으로 이동합니다. 각 전극에서 이온은 전하를 유지하고 양극 측 기존 결정의 틈새 사이트를 차지하는 결정 구조에 삽입되거나 리튬 이온이 해당 결정을 떠날 때 형성된 음극의 빈 사이트를 다시 차지합니다. 이온을 전달하는 동안 호스트 매트릭스는 환원되거나 산화되어 전자를 방출하거나 포획합니다. ¹

다양한 음극 재료

새로운 음극 물질에 대한 탐색은 부분적으로 LiCoO의 중요한 단점에 의해 추진됩니다. ₂ . 배터리의 핵심 온도는 40~70°C이며 일부 저온 반응에 취약할 수 있습니다. 그러나 105~135°C에서는 반응성이 매우 높으며 안전 위험에 대한 탁월한 산소 공급원이 됩니다. 열 폭주 반응 , 고도의 발열 반응으로 인해 온도 급상승이 발생하고 추가 열 방출로 인해 급속히 가속됩니다(Roth 2000).

LiCoO 대체재료 ₂ 그 실패에 덜 취약합니다. 이 화합물은 코발트의 일부를 니켈과 망간으로 대체하여 Li(Ni)를 형성합니다. _엑스 망 _와이 공동 _지 )영형 ₂ 화합물 (와 엑스 + 와이 + 지 = 1) 니켈, 망간, 코발트를 함유하고 있기 때문에 NMC라고도 합니다. 또는 인산염 형태로 완전히 새로운 구조를 나타냅니다(예: LiFePO ₄ ) (다니엘 외. 2014). 이들 양극재는 모두 3.5~3.7V에서 120~160Ah/kg 범위의 용량을 나타내어 최대 에너지 밀도가 600Wh/kg에 이릅니다.

그러나 실제 장치에 포장하면 많은 비활성 물질 질량이 추가되고 에너지 밀도는 팩 수준에서 100Wh/kg으로 떨어지는 경향이 있습니다. 더 높은 에너지 밀도를 추구하기 위해 연구자들은 더 높은 용량과 더 높은 전압을 추구했으며 리튬 및 망간이 풍부한 전이 금속 산화물에서 이를 발견했습니다. 이들 화합물은 본질적으로 NMC와 동일한 재료이지만 니켈과 코발트를 대체하는 과량의 리튬과 더 많은 양의 망간이 있습니다. 더 많은 양의 리튬(20% 이상)은 화합물이 더 높은 용량(Thackeray et al. 2007)과 더 높은 전압을 갖도록 허용하여 최대 4.8V로 충전할 때 최대 280Ah/kg의 음극을 생성합니다. , 이들 새로운 화합물은 안정성 문제를 나타내며 빠르게 사라지는 경향이 있습니다.

세포 내 물질의 균형

리튬 이온 배터리는 알루미늄 및 구리 집전 장치 포일 위에 다공성 전극 층으로 구성됩니다(Daniel 2008). 각 전극 쌍의 용량은 배터리 안전을 보장하고 양극의 과충전(리튬 금속 도금 및 단락을 초래할 수 있음) 또는 음극의 과방전(결정 구조의 붕괴를 초래할 수 있음)의 위험을 방지하기 위해 균형을 이루어야 합니다. 리튬이 재삽입될 수 있는 공극이 손실되어 용량이 크게 감소합니다.

흑연의 이론적 용량은 372Ah/kg으로 NMC 음극에서 사용 가능한 리튬의 두 배입니다. 따라서 균형 잡힌 리튬 이온 배터리에서 음극은 일반적으로 양극에 비해 두 배의 두께를 나타냅니다. 전지 설계의 이러한 본질적인 결함은 물질 전달 및 동역학에 문제를 일으키고 이에 따라 고용량 음극에 대한 연구가 촉발되었습니다.

셀 수준의 에너지 밀도를 높이기 위해 배터리 셀에서는 불활성 물질을 최소화하고 있습니다. 예를 들어, 전류 집전체를 줄이는 한 가지 방법은 전극의 두께를 늘리는 것이지만, 이로 인해 운송 문제가 더욱 발생하고 전극에 고도로 가공된 다공성이 필요합니다.

리튬 이온 배터리 제조의 비용 문제

리튬 이온 배터리의 비용은 자동차 시장이 전기 자동차의 완전한 보급과 내연 기관으로 구동되는 자동차에 비해 비용 중립적인 제품을 감당하는 것보다 훨씬 높습니다. 모든 전기 자동차 배터리에 대한 미국 에너지부 비용 목표는 사용 가능한 에너지의 kWh당 $125입니다(DOE 2013). 상업용 배터리의 현재 비용은 $400-500/kWh이며 현재 실험 재료를 사용한 예상 비용은 $325/kWh입니다. 지금까지의 대부분의 비용 절감은 이전 세대 제품과 유사한 비용으로 에너지 밀도를 증가시킴으로써 달성되었습니다.

제조 방식의 최적화를 통해 추가 비용 절감이 가능합니다. 리튬 이온 배터리는 전극 세트로 제조된 후 셀에 조립됩니다. 활물질을 폴리머 바인더, 전도성 첨가제 및 용매와 혼합하여 슬러리를 형성한 후 집전체 호일에 코팅하고 건조하여 용매를 제거하고 다공성 전극 코팅을 만듭니다. 선택한 용매인 N-메틸피롤리돈(NMP)은 다음과 같은 것으로 간주됩니다. 간접 자료 (생산에 필요하지만 최종 장치에는 포함되지 않음) 가격이 비싸고 가연성 증기를 나타내며 독성이 높습니다.

NMP의 가연성 증기는 전극 생산 중 방폭형 모든 처리 장비를 요구합니다. 즉, 스파크를 생성하는 모든 전기 부품은 증기로부터 보호되어야 하며 증기 농도를 낮게 유지하려면 공간을 잘 환기시켜야 합니다. 이러한 조치는 해당 장비의 자본 비용을 상당히 증가시킵니다.

또한 전극 제조 공장에서는 배기가스에서 용매를 회수하여 증류하고 재활용해야 합니다. 이것은 다시 추가 비용입니다.

수성 가공을 통한 비용 절감

NMP를 물로 대체하는 것은 리튬 이온 배터리 생산 비용을 절감할 수 있는 엄청난 기회입니다. 물 비용은 NMP에 비해 미미합니다. 물은 가연성이 아니며 가연성 증기를 생성하지 않습니다. 물은 환경 친화적입니다. 그러나 물은 극성 용매이므로 그 거동은 비극성 NMP와 완전히 다릅니다. 또한 활물질이 뭉치는 경향이 있고 금속 집전체 표면은 소수성이어서 코팅 공정이 더욱 어려워집니다.

입자의 표면 전하에 대한 지식(제타 전위 측정)을 통해 소량의 계면활성제를 도입하여 물이 있는 상태에서 표면 극성을 설계할 수 있습니다. 음극 삽입 화합물의 경우, 폴리에틸렌 이미드는 입자가 허용할 수 없는 응집체를 형성하지 않도록 입자를 밀어낼 만큼 큰 표면 전하를 도입하는 데 성공적으로 사용되었습니다(Li et al. 2013).

금속의 표면 에너지와 슬러리의 표면 장력 및 상호 작용을 이해하면 쌍을 최적화할 수 있습니다. 코로나 플라즈마 노출을 통한 금속 표면의 대기 플라즈마 처리는 표면의 유기 화합물을 제거하고 약간의 에칭 및 산화를 가능하게 하여 표면 에너지를 슬러리의 표면 장력보다 낮은 값으로 극적으로 감소시킵니다. 이를 통해 슬러리에 의한 표면의 완벽한 습윤이 가능하고 접착력이 최적화된 코팅이 생성됩니다(Li et al. 2012). 그 결과 전극 제조에서 운영 및 재료 비용이 75% 절감되고 자동차 애플리케이션용 배터리 팩 수준에서 최대 20%의 잠재적 비용 절감이 가능합니다(Wood et al. 2014). 여기에는 낮은 장비 비용이 포함되지 않습니다. 플라즈마 처리 장비와 관련된 비용은 용매 회수 시스템 및 방폭 요구 사항에 대한 비용보다 훨씬 저렴합니다.

비용 절감을 위한 미래의 기회

전기화학적 성능에 대한 전송 메커니즘 및 전극 아키텍처 영향에 대한 더 많은 지식을 통해 추가 비용 절감이 달성될 것입니다. 현재 연구는 분자 메커니즘을 이해하고 전극, 전극 스택 및 배터리 셀의 설계를 개선하기 위한 모델링 및 시뮬레이션에 주로 중점을 두고 있습니다. 더 두꺼운 전극과 비활성 물질의 엄청난 감소는 더 낮은 비용으로 에너지 밀도를 향상시키고 직접 비용을 줄이며 훨씬 더 짧고 덜 에너지 집약적인 배터리 형성 주기를 가능하게 합니다.

결론

리튬 이온 배터리는 자동차 차량의 부분적 또는 전체 전기화를 가능하게 하고, 운송용 에너지원을 다양화하며, 간헐적인 재생 가능 에너지 공급의 보급률을 높이기 위해 대규모 에너지 저장을 지원할 수 있는 엄청난 잠재력을 가지고 있습니다. 그러나 비용은 계속 문제가 되며 강력한 공급망, 제조 표준, 높은 제조 처리량 및 간소화된 저비용 처리 방법의 개발을 통해 해결해야 합니다. 비용 절감 외에도 연구를 통해 배터리의 가용 에너지 설계 및 사용을 최적화하고 수명을 늘리기 위해 분자 프로세스 및 전송 문제에 대한 지식을 향상시킬 수 있습니다.

본 논문에서 볼 수 있듯이 활성 전극 재료의 에너지 함량 및 용량 증가와 생산 시 간접 재료 감소는 비용에 영향을 미치는 두 가지 방법입니다.

감사의 말

미국 에너지부(DE-AC05-00OR22725 계약에 따라)를 위한 Oak Ridge 국립 연구소(ORNL, UT Battelle, LLC 관리)에서 진행된 이 연구의 일부는 에너지 효율 및 재생 에너지 사무국(EERE) 차량 기술의 후원을 받았습니다. Office(VTO) ABR(Applied Battery Research) 하위 프로그램(프로그램 관리자: Peter Faguy 및 David Howell). 저자는 ORNL의 DOE 배터리 제조 R&D 시설의 David Wood, Jianlin Li, Debasish Mohanty 및 ORNL 재료 과학 기술 부문의 Beth Armstrong과의 많은 유익한 토론과 기여에 감사드립니다.

기사 출처：스프링 브리지： 엔지니어링의 최전선과 그 너머에서