리튬 배터리란?
리튬전지는 화학반응을 통해 전력을 뽑아내는 화학전지의 일종입니다. 리튬이온전지와 이름이 비슷해 혼동하기 쉽지만, 리튬이온전지는 음극에 리튬이온을 저장할 수 있는 탄소 소재를 사용한 인터카레이션 반응에 기반한 이차전지입니다.
반면 리튬 배터리는 음극에 금속 리튬 또는 리튬 합금을 사용한 것을 말하며 일반적으로 충전이 불가능한 일차 전지입니다.
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리튬전지의 양극에는 이산화망간, 불화흑연, 이황화철 등이 사용되지만, 이산화망간을 사용한 것이 주류이며, 단순히 리튬전지라고 하면 일반적으로 이산화망간 리튬전지를 지칭하는 경우가 많습니다.
리튬전지의 사용 용도
리튬은 금속 중 가장 양이온화 경향이 크고 가장 가벼운 금속입니다. 이 때문에 리튬 배터리는 높은 전압, 가벼운 무게, 높은 에너지 밀도가 특징입니다. 블루레이 및 DVD 레코더, 디지털 카메라, 게임기, 밥솥, 통신기기 등 다양한 가전제품의 시계 및 메모리 백업용 내장 전원으로 널리 사용됩니다.
또한, 안정적인 방전 특성과 장기적인 신뢰성을 가지고 있으며, 고온에서의 보존성이 우수한 종류도 있어 수도, 전기, 가스 각종 계량기 및 스마트 계량기, 화재경보기, 보안기기, 의료기기 등 중요 기기의 전원으로 폭넓게 사용되고 있습니다.
리튬전지의 원리
리튬전지는 양극에 이산화망간, 불화흑연, 이황화철 등을 사용하고, 음극에 리튬 금속, 전해질로 리튬염을 유기용매에 녹인 유기 전해액 등이 사용됩니다.
음극의 금속 리튬은 전해질과 접하는 부분에서 이온화되어 리튬 이온이 되어 전해질에 용해되고, 리튬 원자 1개당 1개의 리튬화에 따라 1개의 전자가 발생합니다. 그리고 전자는 도선, 리튬이온은 전해질을 통해 음극에서 양극으로 이동하여 양극재와 화학반응을 일으킵니다.
리튬전지의 특징
알카라인 건전지와 같은 다른 전지에 비해 리튬전지는 다음과 같은 특징이 있습니다.
1. 가볍고 높은 전압
알카라인 건전지가 1.5V의 공칭 전압인 반면, 일반적으로 보급된 이산화망간형에서는 3V의 높은 공칭 전압을 얻을 수 있습니다. 가볍고 고전압이기 때문에 에너지 밀도가 높아 두 개 이상 필요했던 배터리 수를 한 개로 줄일 수 있어 보다 소형화된 기기에 사용할 수 있는 것이 특징입니다.
2. 자기방전이 적고 장시간 사용 가능
리튬전지의 양극은 화학적으로 안정된 물질이기 때문에 열화가 적고, 10년 동안 보관해도 90% 이상의 용량을 유지할 수 있습니다.
또한, 비교적 큰 전류를 필요로 하는 기기(촬영장비 등)에서의 배터리 수명을 비교하면 알카라인 건전지 대비 리튬전지는 2배 정도의 수명을 기대할 수 있습니다. 리튬 배터리는 건전지에 비해 가격이 비싸지만, 배터리 교체 빈도가 낮아지기 때문에 큰 전류를 필요로 하는 기기에서는 총 비용 측면에서 유리할 수 있습니다.
그러나 소비전류가 적은 기기, 예를 들어 계산기나 TV 리모컨 송신기 등에 사용하는 경우에는 건전지와의 수명 차이가 적어 장점이 없습니다.
3. 넓은 온도 범위
건전지로 널리 사용되는 알카라인 건전지 등은 전해질이 수용액이기 때문에 저온 환경에서는 반응 활성이 떨어지고, 전해액이 얼면 배터리로서의 기능을 상실한다. 이 때문에 알카라인 배터리의 권장 사용 온도 범위는 5℃ ~ 45℃로 정해져 있습니다.
반면 리튬 배터리는 유기 전해질을 사용하기 때문에 빙점이 매우 낮습니다. 또한 고온에서도 비교적 안정적이기 때문에 넓은 온도 범위에서 전력을 공급할 수 있습니다. 일반 제품도 -30~70℃, 내열 타입의 경우 -40~125℃의 사용 온도 범위를 표방하고 있습니다.
위와 같은 특성으로 인해 설산 등반 시 장비의 전원, 사진 및 동영상 촬영용 카메라 등의 전원으로 많이 사용되고 있습니다.
리튬 배터리의 종류
일반적으로 리튬 배터리라고 하면 충전과 방전이 불가능한 일차전지를 떠올리기 쉽지만, 충전과 방전이 가능한 리튬 이차전지도 존재합니다. 각각에 대해 소개하겠습니다.
리튬 일차전지
시중에 판매되는 리튬 일차전지를 모양으로 분류하면 원통형 리튬 전지, 동전형 리튬 전지, 핀형 리튬 전지의 세 가지로 나뉩니다.
1. 원통형 리튬 전지
원통형 리튬전지는 자기방전이 적고 큰 전력을 출력할 수 있는 것이 특징입니다. 양극 재료로 불화흑연 또는 이산화망간이 주로 사용되며, 출력 전압은 모두 공칭 전압이 V이다. 불화흑연은 장기 보존성이 뛰어나 가스, 수도 등 스마트 미터의 전원으로 채택되고 있습니다. 이산화망간은 큰 전류 공급에 적합해 카메라 등 촬영 장비에 사용된다. 또한 황화철을 양극 재료로 사용한 리튬전지는 출력 전압이 1.5V 정도이므로 AA나 AAA 건전지를 대체할 수 있는 용도로 판매되고 있습니다.
2. 코인형 리튬 배터리
코인형 리튬전지의 양극 재료는 불화흑연 또는 이산화망간입니다. 얇고 작은 것이 특징이며, 전기제품, 정보기기 등의 메모리 기능이나 시계 기능의 백업용 전원으로 사용됩니다. 또한 자동차의 키리스 엔트리 시스템, 초소형 조명 등에도 사용됩니다.
3. 핀형 리튬 배터리
핀형 리튬전지는 길쭉한 소형의 리튬전지로, 양극 재료는 불화흑연입니다. 주로 낚시용 전기 미끼, 소형 전파 발신기 등에 사용됩니다.
리튬 이차전지
일반적인 리튬전지는 충전이 불가능한 일차전지이지만, 바나듐이나 티타늄 등의 화합물을 양극, 리튬 금속 또는 알루미늄, 티타늄 등의 리튬 화합물-합금을 음극으로 사용하여 충전이 가능한 리튬 이차전지도 있으며, 모양은 동전 모양입니다.
리튬 일차전지와 같은 우수한 특성뿐만 아니라 충방전 사이클 특성도 우수합니다. 리튬 배터리를 중간에 교체하고 싶지 않거나 교체할 수 없는 기기에 적합하다. 사용 예로는 손목시계의 태양열 시계, 백업 전원 등에 사용됩니다.