원통형 리튬 이온 배터리는 일반적인 배터리 유형으로, 원통형 모양을 가지고 있습니다. 이 배터리는 성능과 비용 측면에서뚜렷한 장점을 갖추고 있어 다양한 전자 기기에서 널리 사용됩니다.
원통형 배터리의 분류 및 특성
원통형 배터리는 광범위한 카테고리로, 리튬 철 인산염(LiFePO4), 니켈 망간 코발트(NMC), 니켈 망간 코발트 산화물(LiNiMnCoO2), 니켈 망간 코발트 및 삼원 재료 등 다양한 시스템을 포함합니다. 외장은 두 가지 유형으로 나뉩니다: 강철 외장과 폴리머 외장. 각 유형의 배터리는 고유한 장점을 가지고 있습니다. 현재, 강철 케이스를 사용한 원통형 리튬 철 인산염 배터리가 시장에서 주도적인 위치를 차지하고 있습니다. 높은 용량, 높은 출력 전압, 우수한 충전/방전 사이클 성능, 안정적인 출력 전압, 대용량 방전 능력, 전기화학적 안정성 및 안전성 덕분에 태양광 조명, 잔디 조명, 예비 전원, 전기 도구 및 장난감 모델 등 다양한 분야에서 널리 사용되고 있습니다.
원통형 배터리의 구조는 상당히 복잡하지만, 각 구성 요소는 중요한 역할을 합니다. 주요 구성 요소는 외장, 뚜껑, 양극, 음극, 분리막, 전해액, PTC 요소, 패킹, 안전 밸브 등입니다. 이 중 배터리 외장은 일반적으로 배터리의 음극으로 사용되며, 뚜껑은 양극으로 사용됩니다. 주목할 점은 배터리 외장이 일반적으로 니켈 도금 강판으로 제작되어 내구성과 안전성을 확보한다는 점입니다.
원통형 리튬 이온 배터리는 배터리 분야에서 가장 오랜 개발 역사를 가지고 있습니다. 이들은 높은 표준화, 성숙한 생산 공정, 높은 양산율 및 명확한 비용 우위를 갖추고 있습니다. 구체적으로 다음과 같은 장점을 가지고 있습니다.
•성숙한 생산 공정과 비용 우위:
장기적인 개발을 통해 원통형 배터리는 국제 표준을 완전히 확립하여 생산 공정이 더욱 표준화되었습니다. 이는 양산율을 높이고 생산 비용을 낮췄습니다.
•우수한 열 방출 성능:
독특한 원통형 구조로 인해 이 배터리는 큰 비표면적을 갖추고 있어 우수한 열 방출 효과를 제공하며, 고온 환경에서도 안정적으로 작동할 수 있습니다.
•사용 및 유지보수 편의성:
원통형 배터리는 일반적으로 밀폐형 에너지 저장 배터리로 설계되어 사용자가 일상 사용 중 추가적인 유지보수 작업을 수행할 필요가 없습니다.
•고압 내구성 외장:
배터리 외장은 고압 내구성 소재로 제작되어 사각형 또는 소프트팩 배터리가 겪을 수 있는 팽창 문제를 효과적으로 방지하며, 사용 안전성을 확보합니다.
상업 분야에서는 원통형 배터리의 양극 재료로 주로 리튬 코발트 산화물(LiCoO₂), 리튬 망간 산화물(LiMn₂O₄), 삼원 재료(NMC), 리튬 철 인산염(LiFePO₄) 등이 사용됩니다.
항목 | 리튬 코발트 산화물 (LiCoO₂) | 리튬 니켈 코발트 망간 산화물 (LiNiCoMnO₂) | 리튬 망간산화물 (LiMn₂O₄) | 리튬 철 인산염 (LiFePO₄) |
압축 밀도 (g/cm³) | 2.8～3.0 | 2.0～2.3 | 2.2～2.4 | 1.0～1.4 |
특정 표면적 (m²/g) | 0.4～0.6 | 0.2～0.4 | 0.4～0.8 | 12～20 |
그램 용량 (mAh/g) | 135～140 | 140～180 | 90～100 | 130～140 |
전압 플랫폼 (V) | 3.7 | 3.5 | 3.8 | 3.2 |
사이클 성능 | ≥ 500 사이클 | ≥ 500 사이클 | ≥ 300 사이클 | ≥ 2000 사이클 |
전환 금속 | 희소 | 희소 | 풍부 | 매우 풍부 |
원재료 비용 | 높음 | 높음 | 낮음 | 낮음 |
환경 친화성 | 코발트 함유 | 니켈 및 코발트 함유 | 무독성 | 무독성 |
안전 성능 | 좋음 | 좋음 | 우수 | 우수 |
응용 분야 | 소형 배터리 / 소형 파워 배터리 | 파워 배터리, 저비용 배터리 | 파워 배터리 / 저가 파워 배터리 | 전력 배터리 / 초대용량 전원 공급 장치 |
장점 | 안정적인 충전-방전, 간단한 생산 공정 | 안정적인 전기화학적 성능, 우수한 사이클 성능 | 풍부한 망간 자원, 저가, 우수한 안전 성능 | 고안전성, 환경 친화성, 긴 수명 |
단점 | 코발트 비용이 높음, 낮은 사이클 수명 | 코발트 비용이 높음 | 낮은 에너지 밀도, 전해질 호환성 저하 | 저온 성능 저하, 낮은 방전 전압 |
원통형 배터리의 음극 재료는 크게 6가지로 분류될 수 있습니다: 탄소 기반 음극 재료, 합금 음극 재료, 주석 기반 음극 재료, 리튬 함유 과도금속 질화물 음극 재료, 나노 재료 및 나노 음극 재료.
·탄소 나노 규모 양극 재료:
현재 리튬 이온 배터리에서 실제로 사용되는 양극 재료는 대부분 탄소 재료로, 인공 그래핀, 천연 그래핀, 중공 탄소 미세 구, 석유 잿, 탄소 섬유, 열분해 수지 탄소 등이 포함됩니다.
·합금 음극 재료:
주석 기반 합금, 실리콘 기반 합금, 게르마늄 기반 합금, 알루미늄 기반 합금, 안티몬 기반 합금, 마그네슘 기반 합금 및 기타 합금을 포함합니다. 현재 상업화 제품이 없습니다.
·주석 기반 음극 재료:
주석 기반 음극 재료는 두 가지 유형으로 나뉩니다: 주석 산화물과 주석 기반 복합 산화물. 산화물은 다양한 산화 상태의 금속 주석 산화물을 의미합니다. 현재 상업화 제품이 없습니다.
·리튬 함유 과도 금속 질화물 양극 재료. 현재 마찬가지로 상업화 제품이 없습니다.
·나노 재료:
탄소 나노튜브, 나노 합금 재료.
·나노 양극 재료:
나노 산화물 재료.
원통형 리튬 이온 배터리는 일본과 한국의 리튬 이온 배터리 기업에서 매우 인기 있습니다. 중국에도 대규모 기업이 원통형 리튬 이온 배터리를 생산합니다. 최초의 원통형 리튬 이온 배터리는 1992년 일본 소니사（SONY）에서 발명되었습니다.
원통형 리튬 이온 배터리는 일반적으로 5자리 숫자로 표시됩니다. 왼쪽부터 오른쪽으로, 첫 번째와 두 번째 숫자는 배터리의 직경을, 세 번째와 네 번째 숫자는 배터리의 높이를, 다섯 번째 숫자는 원통형임을 나타냅니다. 원통형 리튬 이온 배터리는 다양한 모델이 있으며, 일반적인 모델로는 10400, 14500, 16340, 18650, 21700, 26650, 32650 등이 있습니다.
·10440 배터리
10440 배터리는 직경 10mm, 높이 44mm의 리튬 이온 배터리로, 일반적으로 말하는 '7호 배터리'와 동일한 크기입니다. 이 배터리의 용량은 매우 작아 몇백 밀리암페어시(mAh)에 불과하며, 주로 손전등, 소형 스피커, 증폭기 등 소형 전자제품에 사용됩니다.
·14500 배터리
14500 배터리는 직경 14mm, 높이 50mm의 리튬 이온 배터리입니다. 이 배터리의 전압은 일반적으로 3.7V 또는 3.2V입니다. 명목 용량은 상대적으로 작으며 10440 배터리보다 약간 큰 1600mAh입니다. 이 배터리는 우수한 방전 성능을 갖추고 있으며, 주로 무선 스피커, 전기 장난감, 디지털 카메라 등 소비자 전자제품 분야에 적용됩니다.
·16340 배터리
16340 배터리는 직경 16mm, 높이 34mm의 리튬 이온 배터리입니다. 이 배터리는 높이가 짧고 용량이 적지 않아 고휘도 손전등, LED 손전등, 헤드라이트, 레이저 조명, 조명 장비 등에 자주 사용됩니다.
18650 배터리는 직경 18mm, 높이 65mm의 리튬 이온 배터리입니다. 가장 두드러진 특징은 에너지 밀도가 매우 높다는 점으로, 거의 1kg당 170Wh에 달합니다. 따라서 이 배터리는 상대적으로 우수한 비용 대비 성능을 갖추고 있습니다. 우리 일상에서 흔히 볼 수 있는 배터리 대부분은 이 유형에 속합니다. 이는 시스템 품질 측면에서 모두 성숙한 리튬 이온 배터리이기 때문입니다. 이 배터리는 배터리 용량이 약 10킬로와트시인 장면에 널리 적용되며, 예를 들어 스마트폰, 노트북 등 소형 가전제품에 사용됩니다.
·21700 배터리
21700 배터리는 직경 21mm, 높이 70mm의 리튬 이온 배터리입니다. 체적이 증가함에 따라 공간 활용률이 높아져 단일 배터리와 시스템의 에너지 밀도가 모두 향상됩니다. 이 배터리의 체적 에너지 밀도는 18650 배터리보다 훨씬 높습니다. 디지털 제품, 전기 자동차, 균형 자전거, 태양광 리튬 배터리 가로등, LED 조명, 전기 도구 등 다양한 분야에 널리 적용됩니다.
·26650 배터리
26650 배터리는 직경 26mm, 높이 65mm의 리튬 이온 배터리로, 명목 전압 3.2V, 명목 용량 3200mAh입니다. 이 배터리는 높은 용량과 일관성 등 우수한 특성을 갖추고 있어 18650 배터리를 대체하는 추세입니다. 파워 배터리 분야에서도 많은 제품이 이 배터리를 채택하는 경향이 있습니다.
·32650 배터리
32650 배터리는 직경 32mm, 높이 65mm의 리튬 이온 배터리입니다. 이 배터리는 강력한 지속 방전 능력을 갖추고 있어 전기 장난감, 예비 전원, UPS 배터리, 풍력 발전 시스템 및 풍광 복합 발전 시스템에 더 적합합니다.
원통형 리튬 이온 배터리의 기술 발전은 주로 핵심 배터리 재료의 혁신 연구와 응용 진전에 기인합니다. 새로운 재료 개발을 통해 배터리 성능을 향상시키고, 품질을 강화하며, 비용을 절감하고, 안전성을 개선할 수 있습니다. 하류 응용 분야의 배터리 에너지 밀도 향상 요구를 충족시키기 위해, 한쪽으로는 고용량 재료 채택이 가능하며, 다른 한쪽으로는 고전압 재료를 사용하여 충전 전압을 높일 수 있습니다.
원통형 리튬 이온 배터리는 14500형에서 테슬라의 21700형 배터리로 발전해 왔습니다. 최근 및 중기 발전 과정에서 기존 리튬 이온 동력 배터리 기술을 최적화하여 신에너지 차량의 대규모 발전 수요를 충족시키는 동시에, 안전성, 일관성 및 사용 수명 등 핵심 기술을 향상시키기 위해 신규 리튬 이온 동력 배터리 개발에 중점을 둘 것입니다. 동시에 신규 시스템 동력 배터리의 선행 연구 개발을 진행할 것입니다.
원통형 리튬 이온 배터리의 중장기적 발전 방향은 신규 리튬 이온 동력 배터리의 지속적인 최적화 및 개선과 함께, 신규 시스템 동력 배터리의 연구 개발에 초점을 맞추어 에너지 밀도를 크게 향상시키고 비용을 대폭 절감하여 신규 시스템 동력 배터리의 실제 적용 및 대규모 적용을 실현하는 것입니다.
·배터리 모양:
사각형 배터리의 크기는 임의로 설계할 수 있으며, 이는 원통형 배터리가 갖추지 못한 장점입니다.
·배율 성능:
원통형 배터리는 다중 단자 용접 공정 제한으로 인해 다중 단자를 갖춘 사각형 배터리보다 배율 성능이 약간 떨어집니다.
·방전 플랫폼:
이론적으로 동일한 양극, 음극 재료 및 전해액을 사용하는 리튬 이온 배터리는 동일한 방전 플랫폼을 가져야 합니다. 그러나 사각형 리튬 배터리의 방전 플랫폼은 약간 더 높습니다.
·제품 품질:
원통형 배터리의 제조 공정은 상대적으로 성숙합니다. 전극판의 2차 절단 결함 확률이 낮으며, 감기 공정의 성숙도와 자동화 수준이 상대적으로 높습니다. 현재, 층층 쌓기 공정은 여전히 반자동 방법을 사용하며, 이는 배터리 품질에 부정적인 영향을 미칩니다.
·극귀 용접:
원통형 배터리의 극귀 용접은 사각형 리튬 이온 배터리보다 더 쉽습니다. 사각형 리튬 이온 배터리는 허용 용접이 발생하기 쉬우며, 이는 배터리 품질에 영향을 미칩니다.
·배터리 조립:
원통형 배터리는 사용이 더 편리하기 때문에 배터리 조립 기술이 비교적 단순하며 열 방출 효과가 우수합니다. 사각형 리튬 이온 배터리를 조립할 때는 열 방출 문제를 적절히 해결해야 합니다.
·구조적 특징:
사각형 리튬 이온 배터리의 모서리 부분은 화학 활성이 상대적으로 낮습니다. 장기 사용 후 배터리 에너지 밀도가 감소하여 주행 거리가 줄어들 수 있습니다.
·안전성:
소프트팩 배터리는 더 우수한 안전 성능을 갖추고 있습니다. 구조는 알루미늄 필름으로 포장되어 있습니다. 안전 문제가 발생할 경우 소프트팩 배터리는 부풀어 오르거나 갈라지는 현상이 발생하지만, 강철 케이스나 알루미늄 케이스 배터리처럼 폭발하지 않습니다. 안전성 측면에서 소프트팩 배터리는 원통형 리튬 이온 배터리보다 우수합니다.
·무게와 내저항:
소프트팩 배터리는 상대적으로 가벼우며, 동일 용량의 강철 케이스 리튬 이온 배터리와 비교할 때 무게가 40% 가볍고, 동일 용량의 원통형 알루미늄 케이스 리튬 배터리와 비교할 때 무게가 20% 가볍습니다. 내부 저항이 작아 배터리 자체 방전율을 크게 줄일 수 있습니다.
·순환 성능:
소프트팩 배터리는 더 우수한 순환 성능을 갖추고 있습니다. 순환 수명이 더 길며, 100회 순환 후의 성능 저하율이 원통형 알루미늄 케이스 배터리보다 4%에서 7% 낮습니다.
·설계 유연성:
소프트팩 배터리는 더 유연한 설계를 갖추고 있습니다. 어떤 모양으로도 제작 가능하며 더 얇게 만들 수 있으며, 고객 요구사항에 따라 새로운 배터리 모델을 개발하기 위해 맞춤형 설계가 가능합니다. 원통형 리튬 이온 배터리는 이 같은 장점을 갖추지 못했습니다.
·단점:
원통형 리튬 이온 배터리와 비교할 때 소프트팩 배터리의 단점에는 일관성 부족, 높은 비용, 누출 위험이 포함됩니다. 높은 비용 문제는 대량 생산을 통해 해결 가능하며, 누출 문제는 알루미늄-플라스틱 필름의 품질을 향상시켜 해결할 수 있습니다.
Seoul: NEWARE
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