리튬이란 무엇인가? 리튬이온 배터리 종류와 특징 / LMO, NMC, NCA, LFP
# 에너지의 미래 / The Future in Energy
친환경 전기 자동차와 전원 및 저장 장치들은 리튬을 더 필요로 합니다.
# Why lithium? 왜 리튬이어야 하나?
- 그리드 에너지 저장장치와 전기자동차에 사용되는 배터리들은 가벼워야 하고 작은 크기로도 고밀도 에너지를 제공할 수 있어야 한다. (Batteries required for large scale grid storage and electric vehicles need to be as lightweight and compact as possible while still providing high energy density).
- 리튬은 주기율표에서 가장 가벼운 금속이다. (Lithium is the lightest metal on the periodic table).
- 리튬은 강한 전기 화학 퍼텐셜을 지닌다. (Lithium has an extremely high electrochemical potential)
# 그리드 에너지 저장장치란? (Grid Energy Storage, Large-scale Energy Storage)
거대한 전기 발전 시설 안에 다양한 에너지 저장장치 시스템을 모아놓은 저장장치이다.
태양광 발전, 풍력 발전 등의 신재생 에너지 발전으로 전기가 풍족할 때는 저장장치에 에너지를 저장했다가 해가 지거나 바람이 불지 않아 신재생 에너지 발전량이 부족해질 때 이 그리드 에너지 저장장치가 저장했던 전력을 공급할 수 있는 것.
현존하는 그리드 에너지 저장장치 중 가장 큰 규모는 댐 수력 발전과 물을 펌프로 빨아올렸다가 떨어트리면서 전력을 얻는 재생가능한 수력발전(Hydroelectric generation)이라고 한다. 2020년 위키피디아 기준으로는 재생 가능한 수력발전이 그리드 에너지 저장장치 시스템 중 가장 큰 비중을 차지하고 있다고 한다.
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# 전기 화학 퍼텐셜이란? (High Electrochemical Potential)
전기 화학 반응에 관여하는 모든 물질(유효 전하도 포함)로 이루어지는 계의 자유 에너지를 함수를 적용하여 만들어 낸 수치로서, 단극 전위의 산출이 전극 반응 기구를 연구할 때 쓰이는 수치라고 한다. 공식을 보고 나니... 리튬이 강한 전기 화학 퍼텐셜이 있다고 하니, 전기 통할 잠재력이 있나보다 라고 대충 외우기로 했다.
# 배터리 안에 무엇이 있나?
리튬 이온 배터리는 다양한 화학 구성 요소를 가지고 있는데, 이는 리튬 이온이 음극과 양극 사이를 왔다 갔다 움직일 수 있게 한다.
A lithium-ion battery contains a variety of chemical components to allow lithium ions to move back and forth between the cathode & anode:
양극재 화학물이 어떻게 혼합되었냐에 따라 배터리 안의 양극재의 종류가 나뉜다.
테슬라는 NCA (리튬 니켈 코발트 알루미늄) 에서 LFP (리튬 인산 철)로 전환하려고 한다는
LMO Lithium Manganese Oxide 망간계 리튬 산화물 / 리튬 망간계 산화물 (양극재)
- 수명이 짧고 NMC 화학 물질 또는 알류미늄과 혼합하여 성능을 높힌다. (Shorter lifespan and usually blended with NMC chemistries or aluminum to enhance the performance).
- 닛산 Leaf EV 모델에 LMO-NMC 혼합 양극재가 사용되었다. (LMO-NMC blends were utilized in Nissan Leaf EV models).
NMC Lithium Nickel Manganese Oxide (니켈 리튬 망간 산화물)
- 니켈의 양을 늘린 리튬 망간 산화물은 배터리 내 밀도를 높이지만 동시에 더 불안정하게 만든다. (Increased nickel content provides better battery density while at the same time becoming more unstable).
NCA Lithium Nickel Cobalt Aluminum Oxide (리튬 니켈 코발트 알류미늄 산화물)
- 고에너지와 전원 밀도를 높이고 사용 기간이 길다. (High energy and power densities with longer life span).
- 테슬라/파나소닉 배터리에 사용되는 양극재 (Used in Tesla/Panasonic batteries).
LFP Lithium Iron Phosphate 리튬인산
- 대부분의 리튬이온 배터리에 비해 LFP 리튬인산철의 조합은 수명이 길고 안정적으로 작동한다. (Longer cycle life and more stable than most other lithium-ion batteries).
- 독성이 있는 니켈과 코발트가 없다는 장점이 있다. (Does not contain nickel or cobalt).
# 탄산리튬 vs 수산화리튬 (Lithium Carbonate vs Lithium Hydroxide)
탄산리튬은 리튬이온 배터리 생산에 우세하게 사용된다. 탄산리튬은 수산화리튬보다 역사적으로 적게 판매되고 있으며 탄산리튬의 수요는 줄고 있고 수산화리튬의 수요가 늘고 있다. 탄산리튬, 수산화리튬 둘 다 배터리 양극재로 사용될 수 있다. 수산화리튬은 대부분의 것이 주로 탄산리튬으로부터 생산된다, 하지만 전기화학작용을 이용하면 황산 리튬 (lithium sulfate) 또는 염화 리튬 (lithium chloride) 으로부터 생산될 수도 있다.
Lithium Carbonate is the predominant chemical for lithium-ion battery production. It historically sells for less than lithium hydroxide and the trend is moving toward more lithium hydroxide demand and less lithium carbonate. Both lithium carbonate and lithium hydroxide can be used directly as battery cathode material. Lithium hydroxide is most commonly produced from lithium carbonate, but can also be produced electrochemically from lithium sulfate or lithium chloride solutions. The production of battery cathode material is more efficient using lithium hydroxide and some cathode types require it vs lithium carbonate.