리튬이온전지 실험결과 문제

소개

리튬이온전지관련 실험 문제

목차

1. 리튬이온전지의 구성요소와 각 구성요소에 대하여 설명하시오.
2. 현재 상용화된 셀에 쓰이고 있는 LiCoO2(양극)와 Graphite(음극), Li 메탈의 이론용량을 구하시오.
3. LiCoO2의 실제 전지에서의 용량은 이론 용량의 50~60% 밖에 사용할 수 없고, 또한 충전함에 따라 LiCoO2의 부피가 증가한다. 그 이유를 설명하시오.
4. 밑에 그림과 같이 Graphite를 음극의 경우 충방전 시 세 번의 potential plateau가 생기는 이유를 설명하시오.

본문내용

1. 리튬이온전지의 구성요소와 각 구성요소에 대하여 설명하시오.
a) 양극 : 위 그림의 LiCoO2에 해당하고, Li+ 이온을 내 보냄으로서 Co가 전자를 내 놓는 역할을 하게 하여 전자의 이동을 유도한다.
b) 음극 : 위 그림의 C 에 해당하고 양극으로부터 Li+ 이온을 받아들여 층상 구조상의 각 층에 interstitial로 가지고 있다가 다시 방전시 돌려 보냄.
c) 전해질 : 양극과 음극 사이로 이온이 이동할 수 있도록 Liquid, Gel, Solid 형태의 화합물을 씀.
d) 분리막 : 양극과 음극이 직접 붙어버리면 “펑” 하기 때문에 양극,음극의 접촉을 막는 용도로 사용함. PE or PP 쓴다.
2. 현재 상용화된 셀에 쓰이고 있는 LiCoO2(양극)와 Graphite(음극), Li 메탈의 이론용량을 구하시오.
1몰의 물질로 얻을 수 있는 전기량 = 1 Faraday x 1mole
= 1.602x 10-19 C(A·s) x 6.023x1023
= 9.648846x 104 A·s/mol
= 9.648846x 104 A·s/mol ÷ 3600 h/s
= 26.8023 Ah/mol
각 물질의 몰질량은 아래와 같고,
LiCoO2 = (6.941+58.93+15.99x2) = 97.851g/mol
graphite = 12.01 x 6 = 72.06 g/mol
Li = 6.941 g/mol
따라서 각각 물질의 몰질량으로 나눠주면...
LiCoO2 = 26.8023 Ah/mol ÷ 97.851g/mol = 273.9 mAh/g
graphite = 26.8023 Ah/mol ÷ 72.06 g/mol = 371.9 mAh/g
Li = 26.8023 Ah/mol ÷ 6.941 g/mol = 3861.4 mAh/g
3. 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 들어가는게 아니라, 거리적으로 가까운 표면쪽에 국한되어 침투할 것이기 때문에, 층상 사이사이 격자에 모두 Li+이온이 들아갈 때 계산되어진 이론 용량에 비해서는 당연히 작은 수치가 나올 것이다. 물론 층상에서 빠져나오지 못하고 놀고 있는 애들도 있을 것이다.

참고자료

· 1. Properties of Capacity on Carbon Electrode in EC:MA Electrolyte II. Effect of Additives on Initial Irreversible Capacity Dong-Won Park, Woo-Seong Kim*, Dong-Un Son, and Yong-Kook Choi-2006.
· 2. The electrochemical Characteristics on the Anode Material of Lithium Ion Secondary Batteries with Discharge Voltage- J.K Prak, T.H Han, D.C Chung, S.H Lim, B.S Han-2000
· 3. 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
· 4. T. Ohzuku, K. Nakura, T. Aoki, Electrochim. Acta 45, 151 (1999)
· 5. A. Lecerf, M. Broussely, J.-P. Gabano, US Patent 4,980,080 (Assigned by SAFT), Dec. 25, (1990)
· 6. The Development of Technology for Lithium Polymer Secondary Battery -한국전자통신연구원.정보통신부2000