리튬이온 배터리 총정리

요즘 핫한 전기차로 인해 배터리의 관심도 높아지고 있다. 전기차에 사용하는 배터리는 충전이 가능한 2차 전지이다. 

 

보통 시계나 도어락등 가정용에서 사용하는 충전이 불가능한 건전지 타입들이 1차 전지라 한다. 2차 전지는 충전 및 재상용이 가능한 타입의 배터리를 2차 전지라고 한다.

 

2차 전지는 시간이 지남에 따라 효율이 높아지고 재사용성도 좋아지고 있다. 

전기차의 대표주자인 테슬라는 현재 배터리 성능의 향상으로 한번 충전에 약 500km이상 주행이 가능하다. 테슬라에 사용하는 배터리가 리튬 이온배터리이다. 

 

또한 요즘 겨울 날씨가 흘러가고 캠핑의 계절이 다가오면서 사람들이 많이 찾는 제품이 파워뱅크이다. 파워뱅크도 가장 중요한 것이 배터리 제품이다. 대부분 리튬 이온배터리를 사용하는데 제품의 종류에 따라서 다양한 배터리를 사용한다.

 

이렇듯 우리 주변에는 많은 제품들이 2차 전지 형태의 리튬배터리를 사용하고 있다.

 

그러나 리튬 이온 배터리를 사용한다고 해서 다 같은 것은 아니다. 리튬 이온 배터리에만 해도 어떤 양극재를 사용하느냐에 따라 제품이 여러 종류가 있으며 제품마다 각기 다른 특성을 가지고 있다.  

 

따라서 오늘은 리튬 이온 배터리의 종류에 대해 살펴보고 각각의 제품이 어떤 특성을 가지고 있는지 정리해보기로 한다.

 

 

1. Lithium Cobalt Oxide(LiCoO2) — LCO

모바일폰, 랩탑, 카메라등 가장 많이 사용하는 18650 리튬 이온 배터리 타입이다. 

 

1) 가격이 저렴하다.   

2) 대중적으로 쉽게 사용이 가능하며, 에너지 밀도가 좋은 편이다. 

3) Graphine 타입의 Anode를 가지고 있어서 사용 수명이 길지 않다.

4) C-rating 보다 높게 충/방전할 수 없으며 고출력을 만들수 없다. 무슨 말이냐면 18650 배터리가 2.4Ah이면 2.4Ah이상으로 출력을 뽑아내거나 충전할 수 없다는 것이다. 만약 오버해서 사용할 경우 과열되거나 배터리 Stress가 발생한다.  권장 사용은 0.8C(2A)이다

5) 저온 및 고온 환경에서 사용이 어렵다.

6) 배터리 파손에 의한 화재 및 과열 등의 위험성 있다.

 

 

Lithium Cobalt Oxide: LiCoO2 cathode (~60% Co), graphite anode                                       Short form: LCO or Li-cobalt.                                                                                                             Since 1991
Voltages	3.60V nominal; typical operating range 3.0–4.2V/cell
Specific energy (capacity)	150–200Wh/kg. Specialty cells provide up to 240Wh/kg.
Charge (C-rate)	0.7–1C, charges to 4.20V (most cells); 3h charge typical. Charge current above 1C shortens battery life.
Discharge (C-rate)	1C; 2.50V cut off. Discharge current above 1C shortens battery life.
Cycle life	500–1000, related to depth of discharge, load, temperature
Thermal runaway	150°C (302°F). Full charge promotes thermal runaway
Applications	Mobile phones, tablets, laptops, cameras
Comments 2019 update:	Very high specific energy, limited specific power. Cobalt is expensive. Serves as Energy Cell. Market share has stabilized. Early version; no longer relevant.

 

기타

 - 다른 리튬이온 배터리에 비해 비효율적이므로 양극재를 보완하여NCA, NMC 타입의 배터리 형태로 사용하기도 한다. 

 

 

 

2. Lithium Manganese Oxide (LiMn2O4) — LMO

망간을 사용한 3D spinel 구조로 고출력 제품에 적합한 배터리이다. 

 

1) 내부저항이 낮아 전류 흐름을 향상시키기 고출력이 가능하다.

2) 에너지 밀도가 LCO의 3/2 수준이다. 

3) Life Span이 짧다. 

 

 

Lithium Manganese Oxide: LiMn2O4 cathode. graphite anode                                                               Short form: LMO or Li-manganese (spinel structure)                                                                    Since 1996
Voltages	3.70V (3.80V) nominal; typical operating range 3.0–4.2V/cell
Specific energy (capacity)	100–150Wh/kg
Charge (C-rate)	0.7–1C typical, 3C maximum, charges to 4.20V (most cells)
Discharge (C-rate)	1C; 10C possible with some cells, 30C pulse (5s), 2.50V cut-off
Cycle life	300–700 (related to depth of discharge, temperature)
Thermal runaway	250°C (482°F) typical. High charge promotes thermal runaway
Applications	Power tools, medical devices, electric powertrains
Comments 2019 update:	High power but less capacity; safer than Li-cobalt; commonly mixed with NMC to improve performance. Less relevant now; limited growth potential.

 

 

 

3. Lithium Nickel Manganese Cobalt Oxide (LiNiMnCoO2) — NMC

니켈, 코발트, 망간의 조합으로 에너지 밀도가 높고 출력이 좋아 전기차 배터리, 의료장비, 전동스쿠더등 산업용에 사용

 

1) 에너지 밀도가 높고 고출력이 가능하다.

2) 수명이 길다ㅏ.

 

 

Lithium Nickel Manganese Cobalt Oxide: LiNiMnCoO2. cathode, graphite anode Short form: NMC (NCM, CMN, CNM, MNC, MCN similar with different metal combinations) Since 2008
Voltages	3.60V, 3.70V nominal; typical operating range 3.0–4.2V/cell, or higher
Specific energy (capacity)	150–220Wh/kg
Charge (C-rate)	0.7–1C, charges to 4.20V, some go to 4.30V; 3h charge typical. Charge current above 1C shortens battery life.
Discharge (C-rate)	1C; 2C possible on some cells; 2.50V cut-off
Cycle life	1000–2000 (related to depth of discharge, temperature)
Thermal runaway	210°C (410°F) typical. High charge promotes thermal runaway
Cost	~$420 per kWh (Source: RWTH, Aachen)
Applications	E-bikes, medical devices, EVs, industrial
Comments 2019 update:	Provides high capacity and high power. Serves as Hybrid Cell. Favorite chemistry for many uses; market share is increasing. Leading system; dominant cathode chemistry.

 

 

4. Lithium Iron Phosphate(LiFePO4) — LFP

 

인산철을 사용하여 내부저항을 낮추게 하고 좋은 퍼포먼스를 내게 함

 

1) 고출력이 가능하다.

2) 수명이 길다.

3) 에너지 밀도가 상대적으로 낮으며 가격이 비싼편이다. 

 

 

 

Lithium Iron Phosphate: LiFePO4 cathode, graphite anode                                                    Short form: LFP or Li-phosphate. LIP is also common.                                                                              Since 1996
Voltages	3.20, 3.30V nominal; typical operating range 2.5–3.65V/cell
Specific energy (capacity)	90–120Wh/kg
Charge (C-rate)	1C typical, charges to 3.65V; 3h charge time typical
Discharge (C-rate)	1C, 25C on some cells; 40A pulse (2s); 2.50V cut-off (lower that 2V causes damage)
Cycle life	2000 and higher (related to depth of discharge, temperature)
Thermal runaway	270°C (518°F) Very safe battery even if fully charged
Cost	~$580 per kWh (Source: RWTH, Aachen)
Applications	Portable and stationary needing high load currents and endurance
Comments 2019 update:	Very flat voltage discharge curve but low capacity. One of safest Li-ions. Used for special markets. Elevated self-discharge. Used primarily for energy storage, moderate growth.

 

 

5. Lithium Nickel Cobalt Aluminum Oxide (LiNiCoAlO2) — NCA

 

 

 

ithium Nickel Cobalt Aluminum Oxide: LiNiCoAlO2 cathode (~9% Co), graphite anode                Short form: NCA or Li-aluminum.                                                                                                     Since 1999
Voltages	3.60V nominal; typical operating range 3.0–4.2V/cell
Specific energy (capacity)	200-260Wh/kg; 300Wh/kg predictable
Charge (C-rate)	0.7C, charges to 4.20V (most cells), 3h charge typical, fast charge possible with some cells
Discharge (C-rate)	1C typical; 3.00V cut-off; high discharge rate shortens battery life
Cycle life	500 (related to depth of discharge, temperature)
Thermal runaway	150°C (302°F) typical, High charge promotes thermal runaway
Cost	~$350 per kWh (Source: RWTH, Aachen)
Applications	Medical devices, industrial, electric powertrain (Tesla)
Comments 2019 update:	Shares similarities with Li-cobalt. Serves as Energy Cell. Mainly used by Panasonic and Tesla; growth potential.

 

 

 

6. Lithium Titanate (Li2TiO3) — LTO

 

 

Lithium Titanate: Cathode can be lithium manganese oxide or NMC; Li2TiO3 (titanate) anode Short form: LTO or Li-titanate                                              Commercially available since about 2008.
Voltages	2.40V nominal;  typical operating range 1.8–2.85V/cell
Specific energy (capacity)	50–80Wh/kg
Charge (C-rate)	1C typical; 5C maximum, charges to 2.85V
Discharge (C-rate)	10C possible, 30C 5s pulse; 1.80V cut-off  on LCO/LTO
Cycle life	3,000–7,000
Thermal runaway	One of safest Li-ion batteries
Cost	~$1,005 per kWh (Source: RWTH, Aachen)
Applications	UPS, electric powertrain (Mitsubishi i-MiEV, Honda Fit EV), solar-powered street lighting
Comments 2019 update:	Long life, fast charge, wide temperature range but low specific energy and expensive. Among safest Li-ion batteries. Ability to ultra-fast charge; high cost limits to special application.

 

 

 

 

 

 

배터리 종류의 밀도 비교