리튬 망간 배터리

LMO배터리 원리

LMO(Lithium manganese oxide batteries)는 망간산화물을 음극 물질로 사용하는 리튬이온 배터리이다. 일반적으로 리튬이온 망간 배터리(lithium-ion manganese batteries) 또는 망간 스피넬(manganese spinel)이라고 불린다. 이 배터리는 1980년대에 발견되었지만 리튬망간을 음극 재로 만든 최초의 상용 리튬이온 배터리는 1996년에 생산되었다. LiCoO₂와 같은 상용화된 보조 배터리 기술과 동일한 인터칼레이션/디칼레이션 메커니즘을 통해 작동한다. 망간-화물 구성 요소를 기반으로 하는 음극 재료는 자원이 풍부하고, 저렴하며, 무독성이며, 더 나은 열 안정성을 제공한다.

리튬망간 산화물(LiMn₂O ₄)

리튬망간 구조

리튬 망간 배터리의 스냅 샷

망간 스피넬이 포함된 리튬이온은 1983년 세계적인 논문 학술지인 머티어리얼 리서치 블리틴(Materials Research Bulletin)에 처음 발표되었다. 1996년 캐나다의 전지회사인 몰리에너지(Moli Energy)는 리튬 망간 산화물을 음극 재료로 사용한 리튬이온 배터리를 상용화했다. 이 아키텍처는 전극의 이온 흐름을 개선하는 3차원 스피넬 구조를 형성하여 내부 저항을 낮추고 전류 처리를 개선한다. 스피넬의 또 다른 장점은 높은 열 안정성과 향상된 안전성이지만 주기 및 달력 수명이 제한된다.

낮은 내부 셀 저항으로 고속 충전 및 고전류 방전이 가능하다. 18650 패키지에서 리튬-망간은 적당한 열 축적과 함께 20-30A의 전류로 방전 될 수 있다. 최대 50A의 1초 부하 펄스를 적용 할 수도 있다. 이 전류에서 지속적으로 높은 부하가 발생하면 열이 축적되고 셀 온도는 80°C (176° F)를 초과 할 수 없다. 리튬 망간은 전동 공구, 의료 기기, 하이브리드 및 전기 자동차에 사용된다.

​오른쪽 그림은 리튬-망간 배터리의 음극에 3차원 결정 프레임 워크의 형성을 보여준다. 일반적으로 격자로 연결된 다이아몬드 모양으로 구성된 이 스피넬 구조는 초기 형성 후에 나타난다.

리튬 망간 산화물의 음극 결정 형성은 초기 형성 후 나타나는 3차원 골격 구조를 가지고 있다. 스피넬은 낮은 저항을 제공하지만 코발트보다 더 적당한 비 에너지를 가지고 있다. 리튬 망간은 리튬 코발트보다 약 3분의 1 정도 낮은 용량을 가지고 있다. 설계 유연성을 통해 엔지니어는 최적의 수명(수명), 최대 부하 전류(비 전력) 또는 고용량(비 에너지)을 위해 배터리를 최대화 할 수 있다. 예를 들어, 18650 셀의 긴 수명 버전은 용량이 보통 1,100mAh에 불과하다. 고용량 버전은 1,500mAh이다.

​오른쪽 그림은 일반적인 리튬 망간 배터리의 스냅샷을 보여준다. 특성은 미미한 것처럼 보이지만 새로운 디자인은 비 출력, 안전성 및 수명 측면에서 개선되었다. 순수한 리튬

전반적인 성능은 적당하지만 새로운 리튬 망간 디자인은 특정 전력, 안전 및 수명을 향상시킨다. 대부분의 리튬 망간 배터리는 리튬 니켈 망간 코발트 산화물(NMC)과 혼합되어 비 에너지를 개선하고 수명을 연장한다. 이 조합은 각 시스템에서 최고를 이끌어 내며 LMO(NMC)는 Nissan Leaf, Chevy Volt 및 BMW i3와 같은 대부분의 전기 자동차에 선택되었다. 배터리의 LMO 부분은 약 30%로 가속 시 높은 전류 부스트를 제공한다. NMC 부분은 긴 주행 ​​거리를 제공한다.

​리튬 이온 연구는 리튬 망간과 코발트, 니켈, 망간 및 또는 알루미늄을 활성 음극 물질로 결합하는 데 집중하고 있다. 일부 아키텍처에서는 소량의 실리콘이 양극에 추가된다. 이렇게 하면 용량이 25% 향상된다. 그러나 이득은 일반적으로 실리콘이 충전 및 방전과 함께 성장 및 축소되어 기계적 스트레스를 유발함에 따라 더 짧은 사이클 수명과 연결된다.

​이러한 세 가지 활성 금속과 실리콘 강화를 편리하게 선택하여 비 에너지(용량), 비 전력(부하 용량) 또는 수명을 강화할 수 있다. 소비자 용 배터리는 고용량을 사용하는 반면, 산업용 애플리케이션에는 우수한 로딩 기능이 있고 수명이 길며 안전하고 신뢰할 수 있는 서비스를 제공하는 배터리 시스템이 필요하다.

특성

• 전압 : 3.70V (3.80V) 공칭; 일반적인 작동 범위 3.0–4.2V / 셀
• 특정 에너지 (용량) : 100 ~ 150Wh / kg
• 요금 (C-rate) : 0.7–1C 일반, 3C 최대, 4.20V까지 충전 (대부분의 셀)
• 방전 (C-rate) : 1C; 일부 셀에서 10C 가능, 30C 펄스 (5s), 2.50V 차단
• 주기 생활 : 300–700 (방전 깊이, 온도 관련)
• 열 폭주 : 250 ° C (482 ° F) 일반. 높은 전하가 열 폭주를 촉진한다.
• 응용 : 전동 공구, 의료 기기, 전기 파워 트레인

장점

• 다른 리튬이온 유형에 비해 열 안정성이 높기 때문에 코발트 시스템보다 안전회로가 덜 필요하다. 빠른 충전과 고전류 방전에 도움이 되는 낮은 내부 셀 저항으로 인해 높은 속도 성능을 제공한다.

단점

코발트 기반 시스템에 비해 용량은 낮지만 에너지 밀도는 니켈 기반 시스템보다 거의 50% 높다.

참고자료

• "Lithium ion manganese oxide battery", Wikipedia
• Niclas, "LMO Batteries", SINO VOLTAICS

같이 보기

• 리튬이온 배터리

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