리튬 이온은 +1의 전하를 가지고 있으며, 이 기본 특성은 장치에 전원을 공급하는 리튬 이온 전하를 구동하는 것입니다. 양극이 있는 자석처럼 항상 끌어당기고 결코 중립이 되지 않는다고 생각하십시오. 이 단일 양극 충전은 귀하가 소유한 모든 리튬 이온 배터리의 엔진입니다.
이 전하가 원자 수준에서 존재하는 이유와 리튬 이온 전하가 주머니에 있는 3.7v 리튬 배터리를 통해 어떻게 흐르는지 배우게 됩니다. 마지막에는 스마트폰부터 전기 자동차까지 일상적인 장치 뒤에 숨겨진 간단한 과학을 이해하게 될 것입니다.
에이 리튬 이온은 안정되기 위해 전자 1개를 포기하기 때문에 +1 전하를 가집니다.
이 +1 전하는 이온을 배터리 내부로 밀어 넣어 장치를 작동시키는 전류를 생성합니다.
이 간단한 충전을 이해하면 배터리의 작동 방식과 효율성을 이해하는 데 도움이 됩니다.
모든 원자는 세 개의 기본 입자를 포함합니다. 양성자는 양전하를 띤다. 중성자는 중성이므로 전기적 인력이 없습니다. 전자는 음전하를 띠고 있습니다. 원자를 작은 태양계처럼 생각해보세요. 핵은 중앙에 있습니다. 양성자와 중성자는 핵에 모여 있습니다. 전자는 핵 주위의 껍질에서 궤도를 돌고 있습니다.
리튬의 원자 번호는 3입니다. 이는 핵에 3개의 양성자가 있다는 의미입니다. 중성 리튬 원자에도 전자 3개가 있습니다. 양전하와 음전하가 서로 균형을 이룹니다. 원자에는 전체 전하가 없습니다. 전기적 균형 상태에 있습니다.
재산 |
값 |
|---|---|
원자번호 |
3 |
6.94 |
자연적으로 발생하는 리튬에는 동위원소라는 두 가지 형태가 있습니다. 리튬-6에는 양성자 3개와 중성자 3개가 있습니다. 리튬-7은 양성자를 3개 갖고 있으며, 중성자 4개 . 리튬-7이 훨씬 더 일반적입니다. 그것은 구성한다 92% 이상 함유되어 있습니다. 천연 리튬이 두 동위원소 모두 중성 상태에 3개의 양성자와 3개의 전자를 가지고 있습니다. 양성자와 전자의 균형은 두 형태 모두 동일합니다.
중성 리튬 원자에는 3개의 양성자가 있습니다. 마이너스 전자도 3개 있습니다. 원자는 균형을 이루고 있습니다. 그러나 이 균형은 지속되지 않습니다.
원자가 전자 는 가장 바깥 껍질 . 원자의 이 전자는 화학 결합을 형성할 수 있습니다. 그들은 원자가 다른 원자와 어떻게 반응하는지 결정합니다.
리튬의 전자 구성은 1s⊃2;2s⊃1;입니다. 첫 번째 껍질에는 전자 2개가 들어있습니다. 두 번째 껍질에는 전자 1개가 들어있습니다. 그 단일 외부 전자는 원자가 전자입니다. 이 전자는 핵에 의해 느슨하게 유지됩니다.
원자는 안정성을 원합니다. 그들은 완전한 외부 껍질을 원합니다. 헬륨은 이미 이것을 가지고 있습니다. 헬륨은 2개의 전자로 구성된 완전한 첫 번째 껍질을 가지고 있습니다. 리튬은 원자가 전자 하나를 잃어 동일한 상태에 도달할 수 있습니다.
이 전자를 제거하려면 에너지가 필요합니다. 리튬의 1차 이온화 에너지는 520kJ/mol.
리튬의 1차 이온화 에너지는 520kJ/mol이다.
이것을 전자를 얻는 것과 비교해보세요. 리튬이 전자를 얻으면 전자만 방출합니다. 59.6kJ/mol . 리튬은 전자를 잃는 것을 선호합니다. 결과적인 안정성으로 인해 거래 가치가 높아집니다.
리튬이 원자가 전자를 잃으면 원자가 변합니다. 이제 양성자는 3개이지만 전자는 2개만 있습니다. 양전하가 음전하보다 큽니다. 결과적으로 +1의 순 요금이 발생합니다.
1s⊃2;2s⊃1; 구성의 리튬은 전자 1개를 잃어서 헬륨의 희가스 구성 , 1s⊃2;, Li⁺를 형성합니다. Li⁺와 He는 동일한 전자 구성을 가지고 있습니다.
이것이 리튬 이온 전하입니다. 원자는 중성 리튬에서 리튬 이온으로 변화합니다. 이 이온의 순 양전하는 +1입니다. 이 단순한 사실이 배터리 화학 . 원자는 그 전자를 제거하고 싶어합니다. 안정된 상태에 도달하고 싶어합니다. 이러한 욕구가 귀하의 장치에 힘을 실어줍니다.
이미지 출처: 펙셀
리튬 이온 배터리는 세 가지 핵심 부품으로 구성됩니다. 양극은 음극입니다. 음극은 양극입니다. 전해질은 이들 사이에 위치하여 이온이 이동하도록 합니다 . 리튬 이온은 통과시키지만 전자는 차단합니다. LiPF₆와 같은 리튬염은 액체에 용해되어 이러한 경로를 만듭니다. 전해질의 이온 운반 능력은 다음과 같습니다. 10mS/cm . 실온에서 이 속도는 배터리가 얼마나 빨리 방전될 수 있는지를 결정합니다.
장치를 사용하면 배터리가 방전되기 시작합니다. 양극의 리튬 원자는 전자를 잃습니다 . 이것을 산화라고 합니다. 원자는 Li⁺ 이온이 됩니다. 그러면 +1의 리튬 이온 전하가 전체 과정을 주도합니다.
전해질은 이러한 양이온을 운반합니다. 양극에서 음극까지 . 전자는 다른 경로를 취합니다. 그들은 외부 회로를 통해 이동합니다. 그러면 장치에 전원이 공급됩니다. 이러한 경로 분리는 매우 중요합니다. 회로의 전자 흐름은 휴대전화가 사용하는 전류를 만듭니다.
상업용 전지의 양극은 종종 다음으로 만들어집니다. 흑연, 실리콘 또는 이 둘의 혼합 . 음극 재료는 더 다양합니다. 제조업체는 리튬 코발트 산화물(LCO), 리튬 망간 산화물(LMO), 리튬 철 인산염(LFP) 또는 리튬 니켈 망간 코발트 산화물(NMC)을 사용합니다. 각 믹스는 약간 다른 성능을 제공합니다.
배터리 라벨에 표시되는 전압은 이러한 화학적 과정에서 발생합니다. 하나의 세포는 공칭 전압은 3.6~3.7V입니다 . 3.7V 숫자는 종종 마케팅 라벨로 사용됩니다. 방전 중 실제 평균은 3.6V에 가깝습니다. 이 전압은 전극 재료의 특정 특성에서 비롯됩니다.
양극 산화 반응은 전자를 외부 회로로 보냅니다.
이 전자는 회로를 통해 양극을 향해 이동합니다.
음극 환원 반응은 이러한 전자를 사용합니다.
전자 방출 속도에 따라 장치를 통해 흐르는 전류의 양이 결정됩니다.
충전은 이 전체 과정을 반대로 합니다. 외부 전원은 전자를 양극쪽으로 다시 밀어냅니다. 리튬 이온은 전해질을 통해 다시 이동하여 결합됩니다. 이 역방향 흐름은 배터리를 다시 준비 상태로 되돌립니다.
이온은 다음을 통해 흑연 층으로 미끄러져 들어갑니다. 삽입 . 이 과정 흑연 층 사이에 리튬 이온을 넣습니다 . 구조를 파괴하지 않고 프레임워크가 그대로 유지되므로 배터리 수명이 길어집니다. 방전 중에 이온은 디인터칼레이션을 통해 빠져나가 음극으로 다시 흐릅니다.
이 주기는 매우 높은 효율로 반복됩니다. 리튬 이온 배터리에는 쿨롱 효율 99% 이상 . 일부 셀은 99.1%에서 시작하여 15주기 후에 99.5%로 향상됩니다. 다른 것들은 99.5%에서 시작하여 도달합니다. 30사이클 후 99.9% . 이는 거의 모든 전자와 이온이 유용한 작업을 수행한다는 것을 의미합니다.
한 셀의 완전 충전 전압은 일반적으로 4.2V입니다. 방전 컷오프는 약 3.0V입니다. 명목상의 3.7V 리튬 배터리는 이 범위 내에서 작동합니다. 귀하가 소유한 모든 3.7V 리튬 배터리는 이와 동일한 기본 화학을 사용합니다.
+1 요금은 이 전체 과정을 주도합니다. 그것이 없으면 이온은 움직이지 않을 것입니다. 전자는 흐르지 않을 것이다. 충전식 배터리가 작동하지 않습니다. 이 단순한 양전하는 화학 에너지를 전력으로 바꿉니다. 스마트폰부터 전기차까지 모든 것에 전력을 공급합니다.
+1의 리튬 이온 전하는 하나의 잃어버린 전자로 시작됩니다. 이 양전하는 이온을 양극에서 음극으로 그리고 그 반대로 이동시킵니다. 당신은 매일 이 흐름에 의존합니다. 동일한 화학 물질이 스마트폰과 전기 자동차에 동력을 공급합니다. 리튬 이온 배터리에 대한 전 세계 수요 예상 2030년까지 2,722GWh . 3.7v 리튬 배터리는 이 우아한 원리에 따라 달라집니다. 이 충전으로 현대적인 휴대용 전력이 가능해졌습니다.
리튬 원자는 안정되기 위해 전자 1개를 내놓는다. 그 이후에는 양성자는 3개이지만 전자는 2개만 있습니다. 여분의 양성자는 리튬 이온에 +1 전하를 부여합니다.
완전히 충전되면 하나의 셀이 4.2V에 도달합니다. 일반적인 정격은 3.7V입니다. 당신의 3.7v 리튬 배터리는 일상 사용 시 3.0V~4.2V 사이에서 작동합니다.
대부분의 리튬 이온 배터리는 용량이 눈에 띄게 줄어들기 전까지 300~500회 완전 충전을 처리할 수 있습니다. 1주기는 1회 충전 + 1회 방전을 의미합니다. 충전용 배터리는 매 사이클마다 천천히 소모됩니다.
