리튬이온 배터리를 설계할 수 있다는 것은 배터리 공부의 마지막과 같습니다. 원하는 용량의 배터리를 만들기 위해서 음극과 양극의 양을 어떻게 설계하는지 자세하게 알아보겠습니다.
재료 선정 및 기준 설정
배터리 설계 시 어떤 재료를 사용하냐에 따라서 배터리의 성능은 큰 차이를 보입니다. 예를 들면 음극재를 흑연 + Si 음극재를 사용한다면 전해질에 FEC라는 첨가제를 넣어주어 비가역 용량을 좀 더 수월하게 컨트롤할 수 있기 때문입니다. 또한 재료마다 고유 용량과 전위가 다르기 때문에 설계할 배터리의 용량, 전압 등을 고려하여 재료를 선택해야 합니다.
비가역 용량의 이해
비가역 용량이란 재료의 성질이 변하여 이전 상태로 돌아갈 수 없는 용량을 뜻합니다. 양극과 음극의 비가역 용량의 차이를 이해해야 배터리 설계가 가능합니다. 음극에서 비가역은 SEI층 생성에 리튬 이온이 소비되기 때문에 생깁니다. 양극에서 비가역은 구조의 변화로 리튬 이온이 재충전되지 못하여 생깁니다. 쉽게 설명하자면 음극에서의 비가역은 리튬 이온을 소비합니다. 양극에서의 비가역은 리튬 이온을 남깁니다. 아래의 그림을 보시면 좀 더 이해가 쉽습니다.
양극에서는 100개가 빠져나갔지만 97개만 돌아올 수 있다면 가역 용량은 97개가 됩니다. 음극은 양극에서 받은 리튬 이온을 SEI 층을 만드는 데 사용합니다. 즉, 100개를 받고 10개를 SEI층을 만드는 데 사용했다면 가역 용량은 90개가 되는 것입니다.
(배터리 용량) = (양극 가역용량) + (양극 비가역 용량) + (음극 가역 용량) - (음극 비가역 용량)
#1 기본적인 설계
충전 시 양극은 가역 용량 + 비가역 용량에 해당하는 리튬 이온을 음극에 보내줍니다. 그중 음극의 비가역 용량이 리튬을 소비하게 되고 방전할 때 나머지 리튬 이온이 양극으로 이동합니다. 충방전 사이클이 계속될 때마다 이런 반응은 지속됩니다.
#2 잘 못된 설계
왼쪽 그림은 양극의 비가역 용량이 클 때입니다. 양극에서 나온 비가역용량 + 가역용량이 음극에 도착하고 음극에서 나온 가역용량의 리튬 이온이 양극에 들어가야하지만 양극 열화(구조변화)로 양극에 들어가지 못하고 음극 표면에 리튬으로 석출되게 됩니다.
오른쪽 그림은 음극의 비가역용량이 클 때입니다. 배터리는 양극과 음극이 들어갈 공간이 한정되어 있기 때문에 비가역 용량으로 인한 용량 손해를 무시할 수 없습니다. SEI층은 꼭 필요하지만 박리로 인해 리튬 이온의 소모가 클 경우 이를 해결할 방법도 함께 찾아야 합니다.
설계를 잘못했을 때 문제점
#1 음극에서 리튬 석출
양극에서 보낸 리튬이온을 받을 능력이 안되거나 양극 구조의 변화로 음극이 보낸 리튬 이온을 양극이 받지 못할 경우 음극 표면에서 리튬 금속이 석출 됩니다. 리튬 석출로 리튬 덴드라이트가 형성될 수 있고 이는 전해질을 파괴시켜 폭발 및 화재로 이어질 수 있어 설계 시 각별히 조심해야 합니다.
#2 배터리 수명 저하
배터리 재료 선정이 적절하지 않을 경우 수명이 저하될 수 있습니다. 가장 대표적인 예로 전해질 첨가제가 적절하지 않을 경우 흑연에서 충방전 시 SEI층 박리가 생깁니다. 새로운 SEI층의 생성을 발생시키고 비가역 용량이 커지는 현상이 발생합니다.
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