리튬 코발트 배터리

리튬 코발트 산화물

리튬 코발트 배터리(LCO, Lithium Cobalt Oxide battery, LiCoO₂, 钴酸锂电池)는 리튬 코발트 산화물을 양극재로 하는 리튬이온 배터리의 일종이다. LCO 배터리라고도 부른다. 리튬 코발트 배터리는 예전부터 연구되었고 현대 배터리 시장의 대부분을 차지하다가, 현재는 전이금속 삼원계 화합물이 배터리 시장에서 양극 소재로 높은 시장비율을 차지하고 있다. 층상구조를 가지고 있으며 통전하면 충방전 과정에서 산화 환원 가역반응을 하는 대표적 2차전지이다. 공칭전압 3.7V(2.5V~4.3V)에 정격용량이 g당 150mA 수준으로 이론적으론 최대 250Wh/kg 수준의 에너지 밀도를 가지고 있다.

리튬이온 배터리에서 산화 및 환원 반응을 일으키는 원소는 리튬이 아니라 코발트(₂₇Co)이다. 코발트(₂₇Co, cobalt)는 배터리의 안정성을 높여주는 필수 원소이다.

개요

리튬 코발트 산화물 (LiCoO₂) 배터리는 탄산 리튬과 코발트로 만들어지며 높은 특정 에너지와 함께 매우 안정적인 용량을 특징으로 하여 스마트폰, 노트북, 디지털카메라와 같은 모바일 장치와 함께 사용하는 데 널리 사용된다.

내부적으로는 산화 코발트 음극과 탄소 흑연 양극으로 구성된다. 방전하는 동안 리튬 이온은 양극에서 음극으로 이동하고 충전주기 동안 프로세스가 반대로 진행된다. 이러한 배터리에는 상대적으로 짧은 수명주기, 낮은 열 안정성, 더 작은 부하 용량 등 몇 가지 단점이 있다. 즉, 빈번한 재충전이 필요하다.

1980년 존 구디너프 교수는 머티리얼즈 리서치 블러틴(Materials Research Bulletin)에 리튬배터리의 양극 물질로 '리튬코발트산화물(LiCoO2)'을 제안하는 논문을 발표했다. 이후 일본 소니(SONY)는 리튬코발트산화물을 양극 물질로 채택해 배터리를 만들었고, 1990년대 초반부터 휴대용 전자기기에 리튬이온배터리가 쓰이면서 폭발적으로 대중화되기 시작했다.

하지만 코발트가 쉽게 산화되는 성격이 있어 전극간의 Short가 나거나 고온 혹은 강한 충격에 폭발하거나 연소하는 문제가 있다. 이온 전해질의 위험성을 보완하기 위해 폴리머 전해질을 사용하는 리튬 폴리머 배터리가 상용화 되었으나 근본적으로 극복하지는 못한 상태이다. 또한 방전 시 일정 전압(2.6V~2.7V)이하로 방전되게 되면 용량이 현저하게 줄어드는 문제가 있다. 이를 방지하기 위해 배터리 자체에 PCM회로를 부착하여 일정 전압 이하로 방전되는 것을 차단해 주는 방법으로 보완하고 있다.

장점

리튬 코발트 배터리는 주로 휴대전화와 노트북 컴퓨터 및 기타 휴대용 전자기기를 만드는 리튬이온 배터리의 양극재로 쓰인다. 리튬 코발트 배터리는 구조가 안정적이고 용량이 높으며 종합적인 성능이 뛰어나지만 안전성이 떨어지고 원가가 매우 높아 주로 중소형 배터리 셀에 사용되며 노트북, 휴대전화, MP3/4 등 소형 전자기기에 널리 사용되며 공칭 전압이 3.7V이다.

• 전기화학적 성능이 우수하다.
• 가공 성능이 우수하다.
• 탭밀도가 높아 배터리 부피 대비 용량 향상에 도움이 된다.
• 제품의 성능은 안정적이고 일관성이 있다.

단점

• 안정성이 떨어진다.
• 원가가 매우 높다.
• 수명이 길지 않으며 재료 안정성도 떨어진다.

전기차 적용

테슬라가 사용한 18650배터리

리튬 코발트 배터리를 처음 전기차 배터리로 사용한 것은 테슬라가 유일하다. 테슬라는 18650형 리튬 코발트 배터리를 채택하였다. 전 기차의 핵심 부품 중 하나인 테슬라의 배터리는 한때 비웃고 구설수에 올랐으며, 심지어 매출이 폭발적으로 늘었음에도 배터리 기술이 낡고 핵심 경쟁력이 없다는 업계 전문가들도 많았다. 이 배터리는 노트북이나 컴퓨터에 주로 사용돼 전기자동차에는 적용이 힘들고 안전에 문제가 있다는 이유에서다.

테슬라는 산하 로드스터와 모델S에 18650 리튬코발트 배터리를 채택했다. 리튬 인산철 배터리와 비교하여 이런 배터리는 기술이 비교적 성숙하고 출력이 높으며 에너지 밀도가 높으며 일치성도 높지만 안전계수가 비교적 낮고 열특성과 전기특성이 비교적 낮고 원가도 상대적으로 높다.

참고자료

• "Lithium cobalt oxide", Wikipedia
• 〈钴酸锂电池〉, 《百度百科》
• 배터리공학, 〈리튬이온배터리의 종류 정리 및 시장분석〉, 《네이버 블로그》, 2019-10-29
• 박태진 연구원, 〈배터리 역사 쓰는 스승과 제자의 ‘충분히 멋진’ 도전!〉, UNIST, 2018-10-10<
• 钜大LARGE, 〈钴酸锂电池有哪些优缺点？为什么特斯拉坚持使用钴酸锂电池？〉, 《钜大》, 2019-12-16
• 오로라 모바일, 〈리튬 이온 전지의 종류와 특성, 리튬 폴리머, 리튬 코발트 산화물, 리튬 인산철, 리튬 망간 〉, 《네이버 블로그》, 2010-10-23

같이 보기

• 리튬
• 코발트
• 배터리
• 리튬이온 배터리
• 리튬 하이니켈 배터리
• 리튬 인산철 배터리
• LCO

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