리튬-이온전지

요약 충전해서 사용할 수 있는 2차전지로 기전력은 3.6V이고 컴퓨터·휴대전화 등 전자 장치에 널리 사용된다. 가볍고, 무게 대비 에너지 밀도가 다른 어떤 전지보다도 크고, 자가방전에 의한 전력손실이 적고, 기억효과(memory effect)를 나타내지 않는 장점이 있다. 그러나 잘못 사용하면 폭발 위험이 있고 수명이 짧아지는 등의 단점이 있다.

리튬-이온전지

원리는 1960년대에 제안되었지만 리튬의 반응성이 너무 커서 안정성 문제해결이 어려워 실용화되지 못하다가 1991년 소니 회사가 제품 개발에 성공함으로써 상용화되기 시작하였다.

장점

리튬-이온전지는 다른 전지에 비해 탁월한 강점을 가지고 있다.

첫째, 매우 가볍다. 리튬 금속은 다른 어느 금속보다 가볍기 때문에 이 금속을 사용한 전지도 매우 가벼워 에너지 밀도가 매우 크다. 리튬-이온전지의 에너지 밀도는 160Wh/kg으로 니켈-카드뮴 전지의 약 2배, 납 축전지의 6배 정도이다.

둘째, 기전력이 크다. 리튬-이온전지의 기전력은 3.6V로 이 전지 하나로 휴대 전화를 작동시킬 수 있다. 니켈-기반(nickel-based)의 전지는 기전력이 1.2V이기 때문에 이 전지 세 개를 직렬 연결하여야 리튬-이온전지 한 개의 기전력을 얻을 수 있다.

셋째, 리튬-이온전지는 관리가 쉽다. 기억효과(memory effect:충전하기 전에 전지가 완전히 방전되어 있어야 하는 성질로 생각하면 됨)가 없어 완전히 방전시키지 않고 어느 정도 충전 되어 있는 상태에서도 충전이 가능하다.

넷째, 자가 방전에 의한 전력 손실이 매우 적다. 리튬-이온 전지의 자가 방전율은 5%/월 로 니켈-기반의 전지의 1/4정도에 불과하다.

단점

그러나 단점이 없는 것도 아니다.

첫째, 리튬-이온전지는 제조된 직후부터 열화(degrading)가 시작된다. 사용하든지 사용하지 않든지에 관계없이 시간의 흐름에 따라 노화된다. 대개 리튬 전지의 수명은 2∼3년 정도이다. 

둘째, 온도에 민감하다. 온도가 높을수록 노화가 빨리 진행된다. 0℃에서는 연간 약 6%, 25℃에서는 약 20%, 40℃에서는 약 35%의 용량(수명) 감소가 일어난다.

셋째, 리튬-이온전지를 잘못 취급하면 심각한 안전 문제를 야기한다. 고온의 환경에 있거나, 햇빛이 있는 곳에 놓아두면 폭발할 위험이 있다.

리튬-이온전지는 (+)극으로 LiCoO₂를, (-)극으로 탄소를 사용하며 충전-방전 때의 반응은 다음과 같다.

Li_1-xCoO₂ + Li_xC₆ C₆ + LiCoO₂

여기서 유의해야 할 점은 리튬-이온 전지의 충전-방전시 리튬 이온 자체는 (+)극과 (-)극을 오갈 뿐 산화되지 않는다는 것이다. 산화환원반응에 참여하는 것은 코발트이다. 충전 때에는 Co³⁺가 산화되어 Co⁴⁺로되고, 방전 때에는 Co⁴⁺가 환원되어 Co³⁺로 된다.

주의사항

리튬-이온전지를 오래 동안 사용하기 위해 알아두어야 할 사항이 몇 가지 있다.

첫째, 전지를 사용한 다음 빨리 충전해야 한다. 사용하지 않고 보관해 둘 때에는 40∼60%정도 충전한 상태로 습도가 낮은 곳에 두는 것이 좋다.

둘째, 리튬-이온전지는 완전히 방전될 때까지 사용해서는 안 된다. 완전히 방전된 상태로 되면 충전 시간이 매우 길어지거나 더 이상 충전이 되지 않는다.

셋째, 리튬-이온 배터리를 살 때에는 제조 일자를 확인하여 제조일로부터 경과 시일이 짧은 것을 사도록 한다. 미리 사 두는 것은 좋은 방법이 아니다.

넷째, 높은 온도에 두지 않도록 한다. 높은 온도에서는 수명이 급격하게 짧아진다. 전원에 연결하여 노트북 컴퓨터를 사용하는 경우에는 리튬-이온 전지를 떼어 냉장실에 두는 것이 좋다. 그러나 이 경우에도 냉장고에 너무 오래 놓아두면 완전 방전이 일어날 수 있으므로 적어도 3∼4개월에 한 번은 충전한 다음 다시 보관하는 것이 좋다.