박막 리튬 이온 전지

박막 리튬 이온 전지()는 전고체 전지의 한 형태이다. 이 전지는 전고체 전지의 장점과 박막 제조 공정의 장점을 결합할 수 있다는 기대로 개발되었다.

박막 구조는 고체 전해질을 사용하는 이점 외에도 비에너지, 에너지 밀도, 전력 밀도를 향상시킬 수 있다. 이를 통해 두께가 수 마이크로미터에 불과한 유연한 전지를 만들 수 있다. 또한 확장 가능한 롤투롤 공정을 통해 제조 비용을 절감하고 저렴한 재료를 사용할 수도 있다.

 배경 
리튬 이온 전지는 전지의 애노드와 캐소드에 있는 반응성 화학 물질에 화학 에너지를 저장한다. 일반적으로 애노드와 캐소드는 다공성 폴리머 분리막을 통해 흐르는 액체 전해질을 통해 리튬(Li+) 이온을 교환하며, 이 분리막은 애노드와 캐소드 간의 직접적인 접촉을 방지한다. 이러한 접촉은 내부 합선과 잠재적으로 위험한 통제되지 않은 반응으로 이어질 수 있다. 전류는 일반적으로 애노드와 캐소드의 전도성 집전체에 의해 전지의 음극 및 양극 단자(각각)로 전달된다.

박막 리튬 전지에서는 전해질이 고체이고 다른 구성 요소는 웨이퍼에 층으로 증착된다. 일부 설계에서는 고체 전해질이 분리막 역할도 한다.

 박막 전지의 구성 요소 
 캐소드 재료 
박막 리튬 이온 전지의 캐소드 재료는 기존 리튬 이온 전지의 캐소드 재료와 동일하다. 이들은 일반적으로 다양한 방법으로 필름으로 증착되는 금속 산화물이다.

금속 산화물 재료와 이들의 상대적인 비 용량(), 개방 회로 전압(), 에너지 밀도()는 아래와 같다.

+ 재료 등급 (Ah/kg) (V) (Wh/kg) LiCoO2 145 4 580 LiMn2O4 148 4 592 LiFePO4 170 3.4 578
+ 에너지 밀도  : 용량 (mAh/g) : 개방 회로 전위

 캐소드 재료 증착 방법 
박막 캐소드 재료를 집전체에 증착하는 데 사용되는 다양한 방법이 있다.

 펄스 레이저 증착 
펄스 레이저 증착에서는 레이저 에너지 및 플루언스, 기판 온도, 배경 압력, 타겟-기판 거리와 같은 매개변수를 제어하여 재료를 제작한다.

 마그네트론 스퍼터링 
마그네트론 스퍼터링에서는 기판을 냉각하여 증착한다.

 화학기상증착 
화학기상증착에서는 휘발성 전구체 재료가 기판 재료 위에 증착된다.

 졸-겔 공정 
졸-겔 공정은 원자 수준에서 전구체 재료를 균일하게 혼합할 수 있게 한다.

 전해질 
기존 리튬 이온 전지와 박막 유연 리튬 이온 전지의 가장 큰 차이점은 사용되는 전해질 재료에 있다. 리튬 이온 전지의 발전은 전해질이 안전한 배터리 작동에 중요한 역할을 하므로 전극 재료의 개선만큼 전해질 개선에도 의존한다. 박막 리튬 이온 전지 개념은 전해질로 사용하기 위한 폴리머 기술이 제시하는 제조 이점에 의해 점차 동기를 부여받았다. LiPON, 즉 리튬 인산 질화물은 박막 유연 전지에서 전해질 재료로 사용되는 비정질 유리 재료이다. LiPON 층은 RF 마그네트론 스퍼터링을 통해 주변 온도에서 캐소드 재료 위에 증착된다. 이것은 애노드와 캐소드 사이의 이온 전도를 위해 사용되는 고체 전해질을 형성한다. LiBON, 즉 리튬 붕소 산화 질화물은 박막 유연 전지에서 고체 전해질 재료로 사용되는 또 다른 비정질 유리 재료이다.
고체 중합체 전해질은 기존 액체 리튬 이온 전지에 비해 여러 가지 장점을 제공한다. 전해질, 바인더 및 분리막의 별도 구성 요소를 가지는 대신, 이러한 고체 전해질은 세 가지 모두의 역할을 할 수 있다. 이는 전체 셀의 구성 요소가 더 단단히 포장되기 때문에 조립된 전지의 전체 에너지 밀도를 증가시킨다.

 분리막 재료 
리튬 이온 전지의 분리막 재료는 애노드와 캐소드 재료의 물리적 접촉(예: 합선)을 방지하면서 리튬 이온의 이동을 막아서는 안 된다. 액체 셀에서는 이 분리막이 다공성 유리 또는 폴리머 메시가 되어 액체 전해질을 통한 이온 이동을 허용하지만, 전극이 접촉하여 단락되는 것을 방지한다. 그러나 박막 전지에서는 전해질이 고체이므로 전용 분리막 없이도 이온 이동 및 물리적 분리 요구 사항을 모두 충족한다.

 집전체 
박막 전지의 집전체는 유연하고 표면적이 넓으며 비용 효율적이어야 한다. 표면적과 적재량이 향상된 은 나노와이어는 이러한 배터리 시스템에서 집전체로 작동하는 것으로 나타났지만 여전히 원하는 만큼 비용 효율적이지는 않다. 흑연 기술을 리튬 이온 전지에 확장하여, 용액 처리된 탄소 나노튜브 (CNT) 필름이 집전체와 애노드 재료 모두로 사용될 가능성이 연구되고 있다. CNT는 리튬을 삽입하고 높은 작동 전압을 유지할 수 있으며, 이 모든 것을 낮은 질량 적재와 유연성으로 달성한다.

 장점과 과제 
박막 리튬 이온 전지는 평균 출력 전압이 높고, 무게가 가벼워 에너지 밀도가 높으며 (3배), 사이클 수명이 길고 (열화 없이 1200 사이클), 일반적인 충전식 리튬 이온 전지보다 더 넓은 온도 범위 (–20에서 60°C 사이)에서 작동할 수 있어 향상된 성능을 제공한다.

리튬 이온 전달 전지는 높은 비에너지 및 고전력 수요를 충족시키는 가장 유망한 시스템이며 제조 비용도 저렴하다.

박막 리튬 이온 전지에서는 양쪽 전극이 가역적인 리튬 삽입이 가능하므로 리튬 이온 전달 전지를 형성한다. 박막 전지를 구성하기 위해서는 애노드, 고체 전해질, 캐소드 및 전류 리드를 적합한 기술을 통해 다층 박막으로 제작해야 한다.

박막 기반 시스템에서 전해질은 일반적으로 전지 모양에 맞게 변형될 수 있는 고체 전해질이다. 이는 일반적으로 액체 전해질 물질을 사용하는 기존 리튬 이온 전지와는 대조된다. 액체 전해질은 분리막과 호환되지 않으면 사용하기 어려울 수 있다. 또한 액체 전해질은 일반적으로 전지의 전체 부피를 증가시켜 높은 에너지 밀도를 가진 시스템 설계에 이상적이지 않다. 또한, 박막 유연 리튬 이온 전지에서 일반적으로 중합체 기반인 전해질은 전해질, 분리막 및 바인더 재료로 작용할 수 있다. 이는 전해질 누출 문제가 해결되므로 유연한 시스템을 가능하게 한다. 마지막으로, 고체 시스템은 단단히 결합될 수 있어 기존 액체 리튬 이온 전지에 비해 에너지 밀도가 증가한다.

리튬 이온 전지의 분리막 재료는 단락을 방지하기 위해 애노드와 캐소드 재료 사이의 물리적 분리를 유지하면서 다공성 막을 통해 이온을 수송하는 능력을 가져야 한다. 또한 분리막은 전지 작동 중 열화에 저항해야 한다. 박막 리튬 이온 전지에서 분리막은 얇고 유연한 고체여야 한다. 오늘날 일반적으로 이 재료는 폴리머 기반 재료이다. 박막 전지는 모든 고체 재료로 만들어지기 때문에 액체 기반 리튬 이온 전지에서보다 제록스 종이와 같은 더 간단한 분리막 재료를 이러한 시스템에 사용할 수 있다.

 과학적 발전 
박막 전고체 전지의 개발은 롤투롤 방식의 배터리 생산을 가능하게 하여 생산 비용을 절감한다. 전고체 전지는 또한 전체 장치 무게 감소로 인해 에너지 밀도를 증가시킬 수 있으며, 유연한 특성은 새로운 배터리 설계와 전자 기기 통합을 용이하게 한다. 캐소드 재료는 사이클링으로 인한 용량 감소에 저항할 수 있도록 여전히 개발이 필요하다.

 기존 기술  대체 기술  결과 용액 기반 전해질  고체 전해질  안전성 및 사이클 수명 증가 폴리머 분리막  종이 분리막  비용 감소, 이온 전도율 증가 금속 집전체  탄소 나노튜브 집전체  장치 무게 감소, 에너지 밀도 증가 흑연 애노드  탄소 나노튜브 애노드  장치 복잡성 감소

 제조사 
 무라타 제작소

 응용 분야 
박막 리튬 이온 전지의 발전은 많은 잠재적인 응용 분야를 가능하게 했다. 이러한 응용 분야의 대부분은 현재 사용 가능한 소비자 및 의료 제품을 개선하는 것을 목표로 한다. 박막 리튬 이온 전지는 장치를 작동하는 데 필요한 배터리 두께를 크게 줄일 수 있기 때문에 더 얇은 휴대용 전자 장치를 만드는 데 사용될 수 있다. 이 배터리는 제세동기 및 신경 자극기와 같은 이식형 의료 기기, "스마트" 카드, RFID 태그 및 무선 센서의 필수적인 부분이 될 수 있다. 또한 태양 전지 또는 기타 수확 장치에서 수집한 에너지를 저장하는 방법으로도 사용될 수 있다. 이러한 각 응용 분야는 배터리의 크기와 모양의 유연성 덕분에 가능하다. 이러한 장치의 크기는 더 이상 배터리에 필요한 공간 크기에 따라 달라질 필요가 없다. 박막 전지는 케이스 내부에 또는 다른 편리한 방식으로 부착될 수 있다. 이러한 유형의 배터리를 사용할 수 있는 많은 기회가 있다.

 재생 에너지 저장 장치 
박막 리튬 이온 전지는 태양 전지나 풍력 터빈과 같이 가변적인 발전율을 가진 재생 에너지원에서 수집된 에너지를 저장하는 장치로 사용될 수 있다. 이 배터리는 자체 방전율이 낮게 만들어질 수 있는데, 이는 배터리를 충전하는 데 사용된 에너지를 크게 손실하지 않고도 장기간 보관할 수 있음을 의미한다. 이 완전히 충전된 배터리는 아래에 나열된 다른 잠재적 응용 분야의 일부 또는 전체에 전력을 공급하거나 일반적인 사용을 위해 전력망에 더 안정적인 전력을 제공하는 데 사용될 수 있다.

 스마트카드 
스마트카드는 신용 카드와 동일한 크기를 가지지만, 정보 접근, 승인 부여 또는 응용 프로그램 처리에 사용될 수 있는 마이크로칩이 포함되어 있다. 이 카드들은 고온, 고압 라미네이션 공정을 완료하기 위해 130~150°C 범위의 가혹한 생산 조건을 거칠 수 있다. 이러한 조건은 배터리 내 유기 구성 요소의 탈기 또는 열화로 인해 다른 배터리의 고장을 유발할 수 있다. 박막 리튬 이온 전지는 –40~150°C의 온도를 견딜 수 있는 것으로 나타났다. 이러한 박막 리튬 이온 전지의 사용은 다른 극한 온도 응용 분야에서도 희망적이다.

 RFID 태그 
RFID 태그는 다양한 응용 분야에서 사용될 수 있다. 이 태그는 포장, 재고 관리, 진위 확인 및 어떤 것에 대한 접근 허용 또는 거부에 사용될 수 있다. 이 ID 태그는 운송 또는 배송 중 온도나 충격과 같은 물리적 환경을 모니터링할 수 있는 다른 통합 센서를 가질 수도 있다. 또한 태그의 정보를 읽는 데 필요한 거리는 배터리의 강도에 따라 달라진다. 정보를 더 멀리서 읽고 싶을수록 출력이 강해야 하며, 이를 달성하기 위한 전원 공급도 커야 한다. 이 태그가 점점 더 복잡해질수록 배터리 요구 사항도 따라가야 할 것이다. 박막 리튬 이온 전지는 배터리의 크기와 모양의 유연성으로 인해 태그 설계에 적합하며, 태그의 목표를 달성하기에 충분히 강력하다는 것을 보여주었다. 이러한 배터리의 롤투롤 라미네이션과 같은 저비용 생산 방법은 이러한 종류의 RFID 기술이 일회용 응용 분야에서도 구현될 수 있도록 할 수 있다.

 이식형 의료 기기 
LiCoO2의 박막은 가장 강한 엑스선 반사가 약하거나 없는 방식으로 합성되어 높은 수준의 선호 배향을 나타낸다. 이러한 방위를 가진 캐소드 필름이 있는 박막 고체 전지는 높은 전류 밀도에서 실질적인 용량을 제공할 수 있다. 예를 들어, 한 셀의 경우 4.2V와 3V 사이의 최대 용량(약 0.2mAh/cm2)의 70%가 2mA/cm2의 전류에서 제공되었다. 0.1mA/cm2의 속도로 사이클링했을 때 용량 손실은 0.001%/사이클 이하 또는 그 미만이었다. Li LiCoO2 박막 전지의 신뢰성과 성능은 신경 자극기, 심박조율기 및 제세동기와 같은 이식형 장치에 적용하는 데 매력적이다.

이식형 의료 기기는 가능한 한 오랫동안 안정적이고 신뢰할 수 있는 전원을 공급할 수 있는 배터리를 필요로 한다. 이러한 응용 분야에는 사용하지 않을 때 낮은 자체 방전율과 사용해야 할 때 높은 전력률을 가진 배터리가 필요하며, 특히 이식형 세동제거의 경우 더욱 그렇다. 또한 제품 사용자는 많은 사이클을 거칠 수 있는 배터리를 원할 것이므로 이러한 장치를 자주 교체하거나 서비스할 필요가 없다. 박막 리튬 이온 전지는 이러한 요구 사항을 충족할 수 있다. 액체 전해질에서 고체 전해질로의 발전은 이 배터리가 누출 걱정 없이 거의 모든 모양을 가질 수 있게 했으며, 특정 유형의 박막 충전식 리튬 전지는 약 50,000 사이클 동안 지속될 수 있는 것으로 나타났다. 이러한 박막 전지의 또 다른 장점은 직렬로 배열하여 개별 배터리 전압의 합과 동일한 더 큰 전압을 제공할 수 있다는 것이다. 이 사실은 장치 설계에서 배터리의 "면적" 또는 배터리에 필요한 공간 크기를 줄이는 데 사용될 수 있다.

 무선 센서 
무선 센서는 패키지 배송에서 원치 않는 화합물 감지 또는 창고 재고 관리에 이르기까지 응용 프로그램 기간 내내 사용되어야 한다. 배터리 전력이 낮거나 없어 무선 센서가 데이터를 전송할 수 없다면 응용 분야에 따라 결과가 잠재적으로 심각할 수 있다. 또한 무선 센서는 각 응용 분야에 적응할 수 있어야 한다. 따라서 배터리는 설계된 센서에 맞아야 한다. 이는 이러한 장치에 필요한 배터리가 오래 지속되고, 크기가 특정하며, 일회용 기술에 사용될 경우 저렴하고, 데이터 수집 및 전송 프로세스의 요구 사항을 충족해야 함을 의미한다. 박막 리튬 이온 전지는 이러한 모든 요구 사항을 충족할 수 있는 능력을 보여주었다.

 같이 보기 
 배터리 종류 목록
 리튬 이온 전지

 각주 

분류:박막
분류:이차 전지
분류:리튬 이온 전지