리튬 이온 전지(리튬 이온 電池, Lithium-ion battery, Li-ion battery)는 이차 전지(충전식 전지)의 일종으로, 방전 과정에서 리튬 이온이 음극에서 양극으로 이동하며 전기를 발생시키는 전지를 말한다. 충전 시에는 리튬 이온이 양극에서 음극으로 다시 이동하여 원래 상태로 돌아간다. 충전 및 재사용이 불가능한 일차 전지인 리튬 전지와는 구별되며, 고체 폴리머를 전해질로 사용하는 리튬 이온 폴리머 전지와도 구별된다.
구성
리튬 이온 전지는 크게 양극(양전극), 음극(음전극), 전해질, 분리막의 네 가지 주요 구성 요소로 이루어진다. 상업적으로 가장 널리 사용되는 음극 재질은 흑연이다. 양극에는 층상 구조의 리튬 코발트 산화물(LiCoO₂)과 같은 산화물, 인산철리튬(LiFePO₄)과 같은 폴리음이온, 리튬 망간 산화물, 스피넬 등이 사용된다. 초기에는 이황화티탄(TiS₂)도 사용되었다. 음극, 양극, 전해질에 사용되는 물질에 따라 전지의 전압, 수명, 용량, 안정성 등이 크게 달라질 수 있다.
작동 원리
리튬 이온 전지는 전해질을 통해 리튬 이온이 양극과 음극 사이를 이동하는 삽입·탈삽입(인터칼레이션·디인터칼레이션) 과정을 기본 원리로 한다. 방전 시 리튬 이온은 음극에서 전해질을 통해 양극으로 이동하고, 전자는 외부 회로를 통해 흘러 전력을 공급한다. 충전 시에는 이와 반대로 리튬 이온이 양극에서 음극으로 이동한다. 이 과정이 가역적으로 반복되기 때문에 재충전이 가능하다.
특징
리튬 이온 전지는 에너지 밀도가 높고 기억 효과가 없으며, 사용하지 않을 때의 자가 방전율이 낮다는 장점이 있다. 이러한 특성 때문에 휴대용 전자기기, 전기자동차, 에너지 저장 시스템 등 다양한 분야에서 널리 사용된다. 일반적인 리튬 이온 전지의 비에너지는 약 100~265 W·h/kg이며, 에너지 밀도는 약 250~693 W·h/L, 명목 셀 전압은 약 3.6~3.85V(LiFePO₄의 경우 3.2V)이다. 순환 내구력은 약 400~1,200 사이클 수준이다.
반면, 잘못된 사용(과충전, 과방전, 고온 환경, 외부 충격 등)으로 인해 내부 화학 반응이 촉진되면 열폭주가 발생하여 화재 또는 폭발의 위험이 있을 수 있으므로 주의가 필요하다.
역사
리튬 이온 전지는 1970년대 미국 뉴욕 빙엄턴 대학교의 스탠리 휘팅엄 교수와 엑슨(Exxon)에 의해 처음 제안되었다. 휘팅엄은 이황화티탄을 양극, 금속 리튬을 음극으로 사용하였다. 이후 1980년 라시드 야자미(Rachid Yazami)를 필두로 하는 프랑스 연구진이 흑연 내에 리튬 원소가 가역적으로 삽입되는 성질을 밝혀냈다.
기존의 리튬 전지는 음극이 금속 리튬으로 이루어져 안전성이 낮았기 때문에, 금속 리튬 덩어리 대신 리튬 이온을 포함하는 물질을 음극과 양극으로 사용하는 방향으로 개발이 진행되었다. 1980년 존 B. 구디너프(John B. Goodenough)가 이끄는 연구팀이 새로운 양극 물질을 개발하면서 1991년 소니(Sony)에 의해 최초의 상업적 리튬 이온 전지가 출시되었다.
1996년 구디너프 등은 인산철리튬과 감람석 결정 구조를 갖는 인산금속계 리튬을 양극 물질로 사용할 수 있음을 발견하였다. 인산철리튬은 저렴한 가격과 뛰어난 안전성으로 오늘날 전기자동차와 에너지 저장장치 등에 널리 사용되고 있다.
구디너프, 스탠리 휘팅엄, 요시노 아키라(吉野彰)는 리튬 이온 전지 개발의 공로로 2019년 노벨 화학상을 공동 수상하였다.
충전 방식
리튬 이온 전지의 충전은 일반적으로 정전류 과정과 정전압 과정의 두 단계로 이루어진다. 먼저 일정 전류를 유지하면서 전압을 점차 올려 한계 전압에 도달하게 하고, 이후 일정 전압을 유지하면서 전류가 문턱값(보통 초기 전류의 약 3%)보다 낮아질 때까지 공급하는 방식이다. 다중 셀로 구성된 전지의 경우 각 셀의 전압을 동일하게 맞추는 조정 과정이 추가되기도 한다.
생산과 시장
2010년 전 세계 리튬 이온 배터리 생산 능력은 약 20기가와트시(GWh)에 불과했으나, 2020년에는 767GWh에 달했으며 그중 중국이 전체의 약 75%를 점유한 것으로 알려져 있다. 이후에도 생산 능력은 지속적으로 증가하는 추세이다.
