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1. LTO 배터리란?
- 이론용량 175mAh/g, 에너지 밀도 (177Wh/L)로 낮음
- 음극 표면에 탄소 대신 LTO 나노입자들이 그램당 약 100제곱미터의 표면적을 제공해 전자가 음극에 빠르게 들어오고 나갈 수 있도록 함
- 양극의 수명보다 짧은 흑연의 수명을 해결하기 위한 대체제
2. LTO 장점
- 안정성 : 리튬티탄산 배터리는 안정성이 높고, 고온이나 고압 상황에서도 폭발이나 화재가 발생하지 않음
- 긴 수명 : 평균적으로 2000 ~ 3000회의 충전/방전 주기를 견딜 수 있음
- 고속 충전 : 충전 시간이 짧아져, 충전소에서의 시간을 최소화할 수 있음
- 넓은 작동 온도 범위 : -20도에서 60도까지 넓은 온도 범위에서 작동
- SEI layer 없어서 비가역 용량이 낮음
3. LTO 단점
- 낮은 에너지 밀도 : 구동 전압이 2.4V로 삼원계의 3.6V에 비해 낮아 단위 부피나 무게당 저장 가능한 에너지가 적어서, 비교적 큰 배터리 용량이 필요
- 높은 가격 : 생산 비용이 높아서, 다른 종류의 배터리에 비해 비용이 높음
- 제조 공정의 복잡성
- 충방전 중 가스발생이 많이 일어남
4. LTO 적용분야
- Samsung 스마트폰에 제공되는 S-pen
- 미스비사의 iMiEV 전기자동차, 혼다의 EV-neo 전기자전거
- ESS 저장장치 : LTO 배터리는 영하 30도에서도 충전이 가능하고 400도 이하에서는 불이 나지 않으며 고압에서도 안정적이어서 전기를 저장하는 시스템에서 이용
- 높은 안정성으로 인해 극도의 안정성이 필요한 군수, 철도, 항공, 조선 등의 분야에서도 사용이 가능.
5. LMB (Lithium Metal Battery)
- 리튬 메탈 배터리는 리튬 이온 배터리의 음극재인 흑연이나 실리콘을 리튬 메탈로 대체한 제품
- 에너지 밀도를 1000Wh/L 이상으로 높일 수 있으며 전기차에서 주행거리 확대나 차량 경량화에 따른 에너지 절감 가능
- 리튬 금속은 높은 이론 에너지 밀도와 함께 매우 낮은 산화환원 전위 및 밀도를 가짐
- 리튬 금속 표면에서 발생하는 덴드라이트 (dendrite)로 인해 전극 단락과 폭발 가능성이 제기되며 흑연 음극을 사용하는 리튬 이온 배터리가 먼저 상용화됨
6. LMB에서 발생하는 다양한 문제점
- 불균일한 SEI층 형성에 의한 dendrite 형성과 그로 인한 분리막 풀림과 셀 단락 (화재)
- 충방전 과정 중에 과도한 부피 변화로 인한 dead Li 형성
- 전해액을 소비하여 생기는 두꺼운 SEI 층
- 대기 중의 수분과 산소에 취약하며 화재 및 폭발 위험성
7. Li Dendrite와 dead Li의 형성
- Li+ 이온이 Lithium metal anode에 전착(plating)되는 과정(충전) 중에 전극 표면에 이온 농도 불균형에 의해 Li metal이 수지상으로 성장하며 dendrite를 형성하고 분리막을 뚫고 셀을 단락시킴
- 길쭉하게 성장한 Li metal이 stripping하는 과정(방전) 중에 dead Li이 발생하게 되어 이는 비가역적인 용량 손실과 셀 성능 저하로 이어짐
8. LMB의 미래
- 높은 용량과 에너지 밀도 및 출력이 요구됨에 따라, 리튬 메탈 배터리는 매우 이상적인 배터리 시스템
- 그러나 셀의 수명 특성이나 안정성이 열악하여, 이를 안정화하기 위한 연구들이 진행
- 화재, 폭발의 위험성을 낮추고 에너지 밀도를 향상시키기 위해 매우 얇은 Li metal 층을 사용하는 Ultra-thin Lithium metal anode를 빠르고 저렴하게 제조하는 공정 개발이 필요함
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