올리빈 구조의 뜻
감람석과 같은 구조로, 양극인 LiFePO₄가 가진다. PO₄의 강한 공유 결합으로 열적으로 안정하지만, Li⁺의 확산은 1차원이고 전자 전도성도 낮다.
일본어 명칭: オリビン型構造
‘올리빈 구조’ 관련 연습 문제는 1개 분야에 3문제가 있습니다(전지·에너지 재료 등).
이 용어의 분야: 전지·에너지 재료
올리빈 구조 연습 문제에 도전
올리빈 구조의 양극 재료 LiFePO₄에서 Fe²⁺/Fe³⁺ 반응에 의해 리튬이 모두 드나든다고 할 때, 이론 용량에 가장 가까운 것은 무엇인가? LiFePO₄의 식량은 157.8 g/mol, 패러데이 상수는 96485 C/mol로 하고, 1 mAh = 3.6 C로 한다.
- A약 170 mAh/g
- B약 85 mAh/g
- C약 340 mAh/g
정답과 해설 보기
정답: A. 약 170 mAh/g
LiFePO₄ 1 mol에서 Li⁺ 1 mol이 빠지고 Fe²⁺가 Fe³⁺로 산화되므로, 이동하는 전자는 1 mol입니다. 이론 용량은 Q = nF/(3.6M) = 1 × 96485 / (3.6 × 157.8) ≈ 170 mAh/g이 됩니다. 약 340 mAh/g은 반응하는 전자를 2개로 센 오류로, Fe²⁺에서 Fe³⁺로의 변화는 전자 1개입니다. 약 85 mAh/g은 도중에 2로 나누어 버린 값입니다. LiFePO₄는 실제로 이론값에 가까운 160 mAh/g 정도까지 사용할 수 있지만, 평균 전압이 약 3.4 V로 낮은 편이어서 질량당 에너지는 층상 산화물 양극보다 작아집니다.
올리빈 구조인 LiFePO₄ 양극의 특징으로 옳은 것은 무엇인가?
- ALi⁺는 층 사이를 2차원적으로 움직이며, 충전에서 Li를 절반 이상 빼내면 층 구조가 불안정해진다
- B스피넬 구조로 3차원의 Li⁺ 통로를 가지며, Mn의 용출에 의한 용량 저하가 과제가 된다
- CP–O의 강한 결합으로 산소를 잘 방출하지 않지만, 전자 전도성이 낮아 미립자화와 탄소 피복을 하여 사용한다
정답과 해설 보기
정답: C. P–O의 강한 결합으로 산소를 잘 방출하지 않지만, 전자 전도성이 낮아 미립자화와 탄소 피복을 하여 사용한다
LiFePO₄에서는 산소가 P와 강한 공유 결합으로 묶인 PO₄ 사면체를 이루고 있으므로, 과충전이나 고온에서도 산소를 잘 방출하지 않아 열적 안전성이 뛰어납니다. 한편 Li⁺의 확산은 1차원 터널로 제한되고 전자 전도성도 매우 낮으므로, 입자를 100 nm 정도까지 작게 하고 표면을 탄소로 덮어 사용합니다. Li⁺가 층 사이를 2차원적으로 움직이고 Li를 약 절반 이상 빼내면 구조가 불안정해지는 것은 층상 암염 구조인 LiCoO₂의 특징입니다. 3차원 통로를 가지며 Mn의 용출이 과제가 되는 것은 스피넬 구조인 LiMn₂O₄입니다.
해설 속의 ‘올리빈 구조’
LiFePO₄는 감람석과 같은 올리빈 구조로, PO₄ 사면체와 FeO₆ 팔면체의 골격 속을 Li⁺가 1차원 터널을 따라 움직이며 작동 전압은 약 3.4 V입니다.
리튬 이온 전지의 양극 재료와 결정 구조의 조합으로 옳은 것은 무엇인가?
‘올리빈 구조’ 관련 문제(3문제)
관련 용어
층상 암염 구조 스피넬 구조 이론 용량 고분자 전해질 연료 전지 고체 전해질 쇼클리-콰이서 한계 열전 성능 지수