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이차전지의 시장이 노트북, 휴대폰 등 휴대용 전자기기용 소형전지 중심의 이차 전지에서 전기 자동차(HEV/EV), 전기 자전거, 로봇 등의 새로운 중대형 전지로 확대됨에 따라, 중대출력용 동력원으로 사용되던 납 및 니켈계 이차전지를 용량과 충방전 특성이 우수한 리튬이차전지로 대체하고자 하는 연구가 활발히 진행되고 있다.

 

 

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리튬 이온 이차 전지는 양극과 음극, 전해질로 구성이 된다. 방전시 리튬 이온은 부극인 graphite 격자 구조 속에 있는 Li 이온이 빠져나와 분리막을 거쳐 정극의 결정구조 속으로 이동해 들어간다. 충전시에는 산화물 정극에서 Li 이온이 빠져나와 분리막을 거쳐 탄소 부극의 결정 속으로 이동하여 들어간다. 따라서 충반전시 Li ion의 이동에 따라 결정구조는 크게 변한다.  전해질로 수용액대신 유기용매를 사용한다. 따라서, 전지작동은 다음과 같이 일어난다.  충방전시 양쪽 전극의 전위차에 따라 전지 외부회로에서의 전자흐름과 전지내부에서의 이온흐름이 동시에 일어난다. 충전은 외부의 전기에너지를 전지내부의 전기화학반응을 통하여 화학에너지로 바꾸는 것이다.  외부에서 음극(탄소 전극)으로 전자가 들어가면 전해염의 Li ion은 전자를 받아 환원되어 음극에 붙게된다. 이때, 양극에서는 전자가 외부회로로 흘러나가며 전극 활물질은 산화되고 Li ion을 잃게 된다.  방전은 충전의 역반응으로 외부회로에 전기에너지를 공급한다.

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CESL에서 연구되고 있는 Lithium Battery


현재 상용화되어 있는 리튬이차전지는 양극 활물질로 주로 LiCoO2를 사용하고 있으나 충전 상태에서 구조 및 열안정성이 떨어지고, 중금속인 Co가 환경 문제를 일으키며, 가격이 비싸기 때문에 대용량/고출력 기기의 전극으로 사용하는데 부적합하다. 특히 최근 휴대폰 및 노트북용 리튬이차전지에서 폭발 사고가 빈번해짐에 따라, 삼성SDI, LG화학 등 전지 제조 업계에서는 그 어느 때보다 전지의 안전성 확보에 주력하고 있는 실정이다. 따라서 HEV 등의 고출력 응용기기 용 양극 재료로는, 열안정성이 우수하고 가격이 저렴한 스피넬 구조 산화물계(LiMn2O4)나 올리빈계 화합물(LiFePO4)이 적합하다.  따라서 본 연구실에서는 리튬 이차 전지의 양극물질로 주로 LiFePO4와 LiMn2O4를 연구하고 있다.

 

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