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1. 개발 관련 기사들
– 리튬공기배터리 충방전 횟수 늘릴 새로운 촉매 개발
. 금속 유기구조체(MOFs) 활용 촉매 전구체 사용
– 촉매 활성이 뛰어난 루테늄산화물(RuO2)과 망간산화물(Mn2O3)
. 균일 분포 이중 나노튜브 구조 대량 제조 기술
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/advs.202000283
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.6b00185
2. 리튬 공기 배터리 기본 특징
– 에너지 밀도 10배, 수명 3배
– IBM 전기차 개발
3. 기존 배터리와 비교
– 수소 연료 전지, 촉매
– 리튬이온 배터리, SEI, Cycle Life
4 . 배터리 개발 로드맵
– 2030년 예상
리튬 에어 배터리 주제에 대한 자세한 내용은 여기를 참조하세요.
리튬공기전지 – 해시넷 위키
리튬공기전지는 리튬과 산소의 화학반응을 이용해 에너지 효율을 높인 배터리이다. 충전과 방전 과정에서 산화물의 결합, 분해로 에너지를 생성하는 …
Source: wiki.hash.kr
Date Published: 2/27/2021
View: 1577
화재 없고 가벼운 차세대 배터리가 몰려온다 – Sciencetimes
리튬에어 배터리의 핵심 성능을 꼽자면 리튬과 산소의 화학반응을 통해 에너지 효율을 획기적으로 높인 점을 들 수 있다. 리튬을 이용하는 2차전지 중에서 …
Source: www.sciencetimes.co.kr
Date Published: 6/20/2021
View: 4623
제 장 리튬공기전지의 원리 및 동향 2 1
리튬공기전지는 음극으로 리튬을 사용하고 양극 공기극 은 활물질로 공기 중의. ,. (. ) 산소를 이용하는 전지 시스템이다 리튬황전지와 더불어 에너지 밀도가 큰 것을 …
Source: www.cheric.org
Date Published: 6/18/2022
View: 8546
[논문]리튬-공기(Li-Air) 배터리의 전기화학적 특성분석
본 논문에서는 리튬공기(Li-Air) 배터리를 소개하고 전기화학적 특성분석을 간단히 진행하였다. 우선, 리튬공기 배터리의 동작원리를 소개하고 기존 리튬이온(Li-Ion) …
Source: scienceon.kisti.re.kr
Date Published: 12/24/2022
View: 8999
[이달의 연구자] 꿈의 배터리, 리튬 에어 배터리 상용화의 초석을 …
리튬 이온 배터리는 음극 재료로 탄소 물질인 그라파이트가, 양극 재료로 리튬 금속 산화물인 미켈, 코발트, 망간 등이 쓰인다. 전해질로는 비수계 전해액 …
Source: www.newshyu.com
Date Published: 11/8/2021
View: 3626
리튬-공기 이차전지
○ 리튬 금속은 가장 가볍고, 높은 전기화학 당량(3,860Ah/㎏)을 나타낸다. 리튬-공기 전지는 음극에 리튬 금속을, 양극에 산소를 조합하여 만든다. 이때 사용하는 전해질 …
Source: www.reseat.or.kr
Date Published: 3/26/2022
View: 9169
공기로 충전하는 전기차 배터리 나올까… KAIST, ‘리튬
리튬-공기 배터리는 기존의 리튬-이온 배터리보다 10배 높은 에너지 밀도를 구현할 수 있어 대체할 전기차용 배터리로 주목받고 있다.
Source: biz.chosun.com
Date Published: 2/5/2021
View: 1019
“뛰는 인산철에 나는 리튬” 전기항공기 시대 열 ‘리튬 공기 배터리 …
리튬-공기 배터리는 음극에서 리튬의 산화, 양극에서 산소 환원을 이용해 전류 흐름을 유도하는 금속-공기 전기화학 셀 또는 화학전지다. 즉, 양극재 대신 …
Source: www.tech42.co.kr
Date Published: 3/4/2022
View: 7781
차세대 전지 ‘리튬공기배터리’ 수명 늘릴 방법 찾았다 – 경향신문
국내 연구진이 차세대 전지인 ‘리튬공기배터리’를 상용화할 핵심 기술을 개발했다. KAIST(카이스…
Source: m.khan.co.kr
Date Published: 3/15/2022
View: 2261
항산화 원리 이용해 리튬공기전지 수명 약 10배 늘린다
리튬공기전지는 양극에서 반응에 관여하는 물질로 산소를 사용해 전지 무게가 가볍고 친환경적이라는 장점이 있다. 하지만 전기를 사용하며 발생하는 활성 …
Source: www.dongascience.com
Date Published: 3/28/2021
View: 326
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주제에 대한 기사 평가 리튬 에어 배터리
- Author: 엔지니어TV
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- Date Published: 2020. 6. 23.
- Video Url link: https://www.youtube.com/watch?v=EJDhzqf_nNg
화재 없고 가벼운 차세대 배터리가 몰려온다 – Sciencetimes
현재 산업 현장에서 사용되고 있는 배터리는 대부분 리튬이온을 소재로 제조되고 있다. 하지만 리튬이온을 사용하는 방식의 배터리는 뛰어난 효율에도 불구하고 화재에 따른 폭발 위험성을 갖고 있다거나 너무 무거운 무게가 단점으로 지적되어 왔다.
따라서 리튬이온 배터리 이후 등장할 차세대 배터리들은 모두 화재가 발생할 수 있는 가능성을 최소화하거나 최대한 무게를 줄여 가볍게 만드는 방식으로 개발되고 있는데, 대표적으로는 레독스플로우(redox flow) 배터리와 리튬에어(lithium air) 배터리를 꼽을 수 있다.
전해질 이동 방식의 차이로 화재 원천적 방지
레독스플로우 배터리는 리튬이온 배터리와 마찬가지로 전기에너지를 화학에너지의 형태로 변환하여 저장한다는 점에서 공통점이 있는 2차전지다. 차이라면 전해질이 이동하는 방법이 다르다는 점이다.
리튬이온 배터리는 충전 과정에서 발생한 리튬이온이 전해질이라는 액체를 통해 양극에서 음극으로 이동한다. 문제는 전해질 안에서 양극과 음극을 막는 막이 여러 가지 이유로 찢어지게 되면 불이 날 수도 있다는 점이다. 이 때문에 액체 대신 고체 형태의 전해질을 쓰는 방식인 전고체 배터리 연구가 활발히 진행되고 있다.
반면에 레독스플로우 배터리는 전해질이 2개의 저장탱크에 나뉘어 저장되도록 설계되어 있다. 각각의 전해질에는 서로 다른 금속이온이 녹아있어서 양극과 음극이 접촉할 일이 없기 때문에 화재가 발생할 가능성을 원천적으로 차단할 수 있다.
플로우배터리에 사용하는 금속이온의 종류는 다양하지만, 바나듐 이온을 이용한 ‘바나듐 레독스플로우 배터리’가 대표적이다. 원자번호 23번인 바나듐(vanadium)은 희소금속으로서 강철에 소량만 첨가해도 강도가 높아져 철강 산업에서 많이 활용되고 있다.
바나듐 이온을 이용한 레독스플로우 배터리의 가장 큰 장점은 리튬이온 배터리보다 인화성과 화학 반응성의 위험도가 낮아 안정성이 상대적으로 높다는 점이다. 특히 전해질은 유기용매가 아닌 물을 이용한 수계(水系) 전해질인 만큼, 화재 및 폭발 가능성이 현저하게 낮다.
또 다른 바나듐 레독스플로우 배터리의 장점으로는 리튬이온 배터리보다 약 2배 이상 높은 수명을 들 수 있다. 비록 실험 과정에서 확보한 성능이지만, 대략 20여 년 이상을 교체하지 않아도 되는 것으로 드러나 거의 반영구적으로 사용할 수 있을 것으로 기대를 모으고 있다.
이렇게 반영구적으로 사용할 수 있으면서도 재사용까지 할 수 있다는 것은 바나듐 레독스플로우 배터리만이 가진 엄청난 장점이다. 오랜 기간을 사용할 수 있으면서도 재사용까지 가능하므로 바나듐 레독스플로우 배터리는 친환경 배터리의 모델이라 할 수 있다.
바나듐 레독스플로우 배터리의 마지막 장점으로는 저장탱크를 따로 설계할 수 있어서 에너지저장시스템(ESS) 같은 대규모 배터리 제작도 용이하다는 점이다. 리튬이온 배터리 같은 경우 용량을 증가시키는데 있어 한계가 있지만, 다면, VRFB는 저장탱크에 전해액을 추가하기만 하면 저장 용량이 증가하게 되므로, 대용량화가 비교적 용이한 편이다.
이처럼 바나듐 레독스플로우 배터리는 장점이 많은 2차전지이지만, 아직 상용화가 이뤄지지 못하고 있는 이유는 몇 가지 단점이 있기 때문이다. 리튬이온 배터리보다 충전 및 방전 출력 및 속도 등 효율이 낮고, 특정 온도 범위에 따라서 바나듐 이온의 석출이 일어나는 등 안정성이 아직은 낮은 편이다.
또 다른 단점으로는 상대적으로 많은 공간을 차지한다는 점이다. 리튬이온 배터리는 에너지 밀도가 높아서 설치 공간을 작게 할 수 있는 반면에, 바나듐 레독스플로우 배터리는 비교적 에너지 밀도가 낮아서 저장탱크 설치시 많은 공간이 필요하다.
산소를 활용하여 가볍고 친환경적인 배터리
레독스플로우 배터리가 기존의 리튬이온 배터리와 상반된 개념의 2차전지라면, 리튬에어 배터리는 리튬이온 배터리의 단점을 보완한 2차전지라고 할 수 있다. 특히 배터리의 양극에서 반응에 관여하는 물질로 산소를 사용하는 덕분에 배터리 무게가 기존 2차전지들보다 가볍고 친환경적이라는 장점이 있다
리튬에어 배터리의 핵심 성능을 꼽자면 리튬과 산소의 화학반응을 통해 에너지 효율을 획기적으로 높인 점을 들 수 있다. 리튬을 이용하는 2차전지 중에서 리튬황 배터리처럼 음극은 리튬 금속을 사용하고 양극은 공기 중 산소와 반응하도록 설계되었다.
리튬에어 배터리의 에너지 효율이 획기적으로 높은 이유는 리튬이온 배터리보다 에너지 밀도가 높기 때문이다. 가령 리튬이온 배터리로 10분 정도 작동하는 장난감에 리튬에어 배터리를 장착한다면, 50분 이상 작동하는 것을 볼 수 있다.
또한, 충전 및 방전 과정에서 산화물의 결합과 분해를 통해 에너지를 생성하기 때문에 리튬이온 배터리보다 에너지 출력은 2배 정도 높고, 시간당 에너지 생성 비용은 5배 정도 낮다는 것이 전문가의 설명이다.
이 외에도 구조가 단순하고 가볍기 때문에 드론이나 로봇, 또는 모빌리티 분야와 전자기기 분야로의 확장 또한 용이할 것으로 업계는 기대하고 있다.
여기에다 리튬이온 배터리와 다르게 전력을 생산하기 위해 금속 산화물이 필요하지 않고 공기 중 널리 퍼져있는 산소를 사용하기 때문에 경제성이 뛰어난 점은 리튬에어 배터리의 상용화 가능성을 밝게 만들어주고 있다.
물론 장점만 있는 것은 아니다. 사용하는 방전 과정에서 나오는 활성산소는 문제점으로 꼽힌다. 활성산소는 배터리 용량을 떨어뜨리고 수명도 감소시키기 때문에 이를 억제해야만 상용화 문제가 해결될 것으로 전망되고 있다.
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[논문]리튬-공기(Li-Air) 배터리의 전기화학적 특성분석
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[이달의 연구자] 꿈의 배터리, 리튬 에어 배터리 상용화의 초석을 다지다
우리 주변에는 수많은 첨단 제품들이 자리 잡고 있다. 사람이 움직이기 위해 음식이 필요한 것처럼, 첨단 제품이 움직이기 위해서도 ‘에너지’가 필요하다. 이 에너지 역할을 하는 것이 배터리다. 현재 상용화된 배터리 형태는 리튬 이온 배터리. 리튬 이온 배터리 보다 높은 성능을 자랑하는 리튬 에어 배터리가 있으나, 효율성이 떨어져 상용화되지 못했다. ‘차세대 배터리’ 혹은 ‘꿈의 배터리’라 불리는 리튬 에어 배터리. 선양국 교수와 이윤정 교수(이상 공과대 에너지공학)의 공동연구로 효율성 문제를 해결할 실마리를 찾았다.
경제성과 성능 두 마리 토끼를 잡다.
▲ 리튬 에어 배터리는 기존의 리튬 이온 배터리와는 달리 양
극의 재료로 산소를 사용한다.
기본적으로 배터리는 양극과 음극, 전해질(물 등의 용매에 녹아 이온으로 나눠져 전류를 흐르게 하는 물질)의 세 부분으로 구성된다. 세 부분을 구성하는 물질에 따라 이름이 달라진다. ‘니켈 카드뮴 배터리’, ‘리튬 폴리머 배터리’, ‘리튬 이온 배터리’ 등이다. 리튬 이온 배터리는 음극 재료로 탄소 물질인 그라파이트가, 양극 재료로 리튬 금속 산화물인 미켈, 코발트, 망간 등이 쓰인다. 전해질로는 비수계 전해액(물 분자가 포함되지 않은 전해액)이 쓰인다. 충전 상태에서는 음극의 리튬 이온이 전해질을 통해 양극으로 이동하며 에너지를 발생시킨다. 양극으로 이동한 리튬 이온을 음극으로 돌려보내면 방전된 배터리가 충전된다. 리튬 이온 배터리는 지난 1991년 상용화됐고, 이후 연구와 발전을 거듭해 현재 가장 많이 사용되는 배터리가 됐다.
다만, 리튬 이온 배터리는 대형화가 어렵다는 문제가 있다. “기본적으로 리튬 이온 배터리의 양극 물질로 쓰이는 미켈, 코발트, 망간 등이 굉장히 비쌉니다. 노트북이나 스마트폰 등에 쓰이는 소형 배터리는 문제 되지 않겠지만, 전기자동차에 이 배터리를 사용한다면 가격이 문제가 되겠죠. 스마트폰 배터리의 6,800배~7,000배 크기의 배터리를 사용하게 되니까요.” 선양국 교수의 설명이다.
그 대안으로 등장한 것이 리튬 에어 배터리다. 리튬 에어 배터리는 음극 재료로 리튬 메탈을 사용하고, 양극 재료로 탄소 지지체 안의 산소를 사용한다. 전해질은 비수계 전해액이 사용된다. 리튬 이온 배터리가 양극 재료로 미켈 등 비싼 금속 산화물을 사용하는 것과 달리, 리튬 에어 배터리는 공기 중에 널리 퍼져있는 산소를 사용하는 것이 가장 큰 차이다. 경제성 면에서 우월할 수밖에 없다. 에너지 밀도 면에서도 차이가 난다. 리튬 에어 배터리는 리튬 이온 배터리보다 3-5배에 달하는 에너지 밀도를 자랑해 성능이 더 높다.
에너지 효율의 문제를 해결하다
리튬 에어 배터리는 이런 장점 덕에 ‘꿈의 배터리’라고 불린다. 그러나 대표적인 문제점으로 꼽혀온 것이 ‘효율성’이다. 이 교수는 말한다. “리튬 이온 배터리는 100을 충전하면 99.99를 쓸 수 있을 만큼 높은 효율성을 보입니다. 그러나 리튬 에어 배터리는 100을 충전하면 60 정도만 사용할 수 있어요. 이 점이 상용화에 큰 걸림돌이 되었죠.” 리튬 에어 배터리의 효율성이 낮은 이유는 리튬 이온이 음극에서 양극으로 이동할 때, 양극의 산소와 반응하며 과산화리튬(Li2O2) 산화물을 생성하기 때문이다. 과산화리튬은 전기가 통하지 않는 비도체 물질이라 에너지 이동을 방해한다. 이런 이유로 과산화리튬을 어떻게 처리하느냐가 배터리 효율성을 높이기 위한 연구 목표가 됐다.
▲ 이리듐 나노 촉매는 리튬 이온과 산소와의 반응에서 과산화 리튬(Li2O2) 대신 초산화 리튬(LiO2)이 생성되도록 한다.
선 교수 와 이 교수는 양극의 산소 지지체에 새로운 소재를 도입했다. 탄소물질인 그래핀에 이리듐 나노 촉매를 혼합한 것. 탄소 물질인 그래핀은 넓은 표면적으로 리튬 에어 배터리의 용량을 극대화할 수 있으며, 뛰어난 전도성으로 저항을 최소화해 에너지 효율을 증대시킨다. 또, 이리듐 나노 촉매는 리튬 이온과 산소 반응에서 특별한 역할을 해낸다. 이윤정 교수는 이리듐 나노 촉매의 역할에 대해 다음과 같이 설명했다. “기존의 반응에서 과산화리튬이 발생하는 것과 달리, 이리듐 나노 촉매는 초산화 리튬(LiO2)이 생성되게 합니다. 초산화 리튬은 전도도가 높을뿐더러 리튬과 산소로 분해되기 쉬워요. 에너지 효율을 크게 향상시킬 수 있죠.”
물론, 에너지 효율을 향상시켰다고 리튬 에어 배터리의 상용화가 즉시 가능한 것은 아니다. 아직까지 해결해야 할 산은 많다. 그러나 선 교수는 “이번 연구는 기존의 리튬 에어 배터리 패러다임을 바꾸고, 앞으로 리튬 에어 배터리 개발 연구에 지대한 영향을 끼칠 것”이라고 말했다. “이번 연구는 리튬 에어 배터리 상용화의 첫걸음이라고 볼 수 있습니다. 앞으로 더욱 깊이 연구해 리튬 에어 전지의 상용화에 힘쓰고 싶습니다.”
무엇이든 꾸준히 하는 노력이 필요
이 교수는 현재 리튬 에어 배터리가 들어간 전기자동차의 시운전을 위해 연구를 계속하고 있다. 사람들의 삶을 바꿀 수 있는 연구가 목표라고 한다. “예전에 외국에서 공부를 할 때 한 교수님이 ‘논문을 잘 쓸 생각을 하지 말고 세상을 바꿀 수 있는 아이디어를 생각하라’고 얘기해주신 적이 있어요. 저도 그분 말씀처럼 세상을 바꿀 수 있는 연구를 하고 싶습니다. 전기자동차의 배터리 연구도 그 중 하나가 될 수 있겠죠”
물론 이러한 연구가 한 번의 노력, 한 번의 시도로 완성되는 것은 아니다. 1980~90년대 한국에서 배터리 산업은 중소기업의 전유물이었다. 그러나 외국에서는 파나소닉 등의 대기업에서 배터리를 연구하고 개발하는 중이었다. 선 교수는 1991년 소니의 리튬 이온 배터리 상용화 발표를 보고, 한국에서도 배터리 개발에 착수해야 한다는 생각을 갖게 됐다고. “제가 연구를 시작할 무렵 우리나라에서 배터리 연구를 하는 사람은 거의 없었어요. 당시 다른 사람의 말에 좌지우지됐으면 지금의 연구 결과는 없었을 거예요.” 선 교수는 남들과는 다른 ‘창의성’이 인생의 큰 동력이라고 조언했다. “인생도 이와 비슷하다고 생각해요. 열정과 노력, 그리고 남들과는 다른 창의성을 가지고 살아가다 보면 언젠가는 자신만의 고유한 결과물이 생길 거라고 생각합니다. 우리 학생들도 이러한 마음가짐으로 열심히 노력했으면 좋겠어요.”
▲ 배터리 연구에 매진하고 있는 선양국 교수(공과대 에너지공학)와 이윤정 교수(공과대 에너지공학)를 지난 26일과 이번 달 1일 본인의 연구실에서 만날 수 있었다. 두 교수 모두 단기적인 시각보다 미래를 보면서 꾸준히 정진하는 노력의 필요성을 얘기했다.
글/ 이종명 기자 [email protected]
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사진/ 김윤수 기자 [email protected]
최민주 기자 [email protected]
디자인/ 조유미 기자 [email protected]
“뛰는 인산철에 나는 리튬” 전기항공기 시대 열 ‘리튬 공기 배터리’까지… 잇따르는 리튬 배터리 혁신
테슬라 전기차 모델Y에 사용되는 4680리튬이온 배터리. 올해 테슬라 텍사스 기가팩토리에서 양산될 것으로 알려지고 있다. (사진=파나소닉)
러시아의 우크라이나 침공으로 가뜩이나 특정 국가에 쏠려있는 전 세계 배터리 원자재 수급이 더 어려워졌고 가격도 급등하고 있다. 하지만 다행히도 세계 곳곳의 배터리 연구원들이 혁신적 연구성과를 잇달아 쏟아내고 있다. 한정된 자원으로 에너지 효율을 높일 수 있는 방법에 대한 연구 성과가 속속 발표되고 있는 것.
최근 새로운 니켈 양극재를 사용해 리튬인산철(LFP)배터리보다 성능과 수명 모두 앞선 리튬 니켈코발트망간(NCM) 배터리, 그리고 전기여객기·플라잉카 대중화 길을 열어줄 높은 에너지 밀도를 가진 리튬공기 배터리 연구 성과가 등장했다. 주인공은 테슬라가 캐나다 핼리팩스 달하우시 대학 연구소와 ‘테슬라 첨단 배터리 연구소(Tesla Advanced Battery Research)’ 그룹, 그리고 일본 국립재료과학연구소(NIMS) 연구팀이다. 아직 상용화되지는 않았지만 미래 세상을 앞당겨 줄 최대 관심사인 배터리 기술의 급진전을 확인시켜 주기에 충분하다. 두 성과를 차례로 소개한다.
테슬라, LFP보다 우수하고 오래가는 리튬 NCM배터리 개발
캐나다에 있는 테슬라 첨단 배터리 연구소가 고에너지 밀도 특성을 가지며, 100년간 지속되는 새로운 배터리를 개발했다고 발표했다. 사진은 테슬라 전기차에 사용된 2170형(왼쪽)과 4680형 배터리. (사진=유튜브)
캐나다에 있는 테슬라 배터리 연구 그룹이 최근 높은 에너지 밀도를 가지며, 100년 동안이나 지속되는 새로운 니켈 양극재 기반 리튬이온 배터리에 대한 논문을 전기화학회저널(Journal of the Electrochemical Society)에 발표했다.
테슬라는 최근 전세계 배터리 자원확보 네트워크를 확보했고 이를 발표해 전세계 배터리, 전기차 업계를 놀라게 한 바 있지만 (당연하게도) 이번 성과를 통해 배터리 연구에도 많은 투자를 해왔음을 드러내고 있다. 최신 성과는 테슬라가 지난 2016년 캐나다 핼리팩스 달하우시 대학 제프 단 배터리 연구소와 파트너십을 맺고 설립한 ‘테슬라 첨단 배터리 연구소(Tesla Advanced Battery Research)’그룹에서 나왔다.
이번 연구의 핵심 성과는 니켈 양극재 기반 배터리에서 사람들이 선호하는 특성 (더 적은 배터리로 더 오래 전기차를 달리게 하는 더 높은 에너지 밀도 같은) 을 유지하면서 수명에서도 LFP 배터리 셀과 경쟁할 수 있는 배터리를 개발한 것이다.
캐나다 연구 그룹은 결과적으로 충전 및 에너지 밀도에 있어서 중국이 장악한 값싼 리튬인산철(LiFePO₄·LFP)배터리 셀보다 우수하면서도 100년이나 지속될 수 있는 새로운 니켈 양극재 기반 리튬 배터리 연구 성과를 내놓았다.
특히 테슬라와 제휴한 제프 단 배터리 연구소장은 리튬이온 배터리 셀의 선구자로 여겨지는 인물이다. 그는 리튬이온 배터리가 발명된 이후로 셀의 수명 주기를 증가시키는 데 기여를 했고, 이것이 배터리 셀의 상업화에 도움을 준 것으로 인정받고 있다.
현재 그의 연구는 주로 에너지 밀도와 내구성의 잠재적 증가와 비용 절감에 초점을 맞추고 있다. 이 그룹은 이미 테슬라용 배터리에 관한 특허와 논문을 꽤 많이 내놓았다. 테슬라는 최근 이 그룹과의 계약을 2026년까지 연장했다. 이 프로그램의 새로운 리더 중 한 명인 마이클 메츠거는 이 새로운 연구 논문에 제프 단, 몇몇 박사들과 함께 ‘장수명 저전압 리튬이온 셀을 위한 리튬인산철(LFP)의 우수한 대안으로서의 Li[Ni0.5Mn0.3Co0.2]O2’라는 제목의 논문 저자로 등재됐다.
테슬라 배터리 연구 그룹은 이 새로운 셀 관련 논문에서 “NMC 셀, 특히 3.8 V까지 균형을 이루고 충전된 셀은 LFP 셀에 비해 더 나은 쿨롱 효율(에너지를 저장해서 필요 시 사용할 수 있는 효율), 더 적은 용량 페이드(capacity fade), 더 높은 에너지 밀도를 보여주며, 25°C에서 100년에 가까운 수명을 낼 것으로 예상된다”고 썼다.
핵심기술 중 하나는 리튬 비스 플루오로 설포닐 이미드(LiFSI) 염을 포함하는 전해질을 사용하는 것으로 보이며, 저자들은 이 논문에서 그 이점에 대해 코발트가 없거나 더 적은 양의 코발트 사용을 포함한 다른 니켈계 리튬이온 배터리에도 적용될 수 있다는 점에 주목하고 있다.
기존 리튬이온 배터리용 전해질 리튬염으로는 주로 6불화인산리튬(LiPF6)이 사용됐으며 일본 업체가 20년 이상 시장을 장악해 왔다. 최근에야 LG화학이 리튬 비스 플루오로 설포닐 이미드(LiFSI)를 개발, GM 쉐보레 볼트 전기차에 공급하면서 리튬염 대체 소재로 각광 받고 있다. LiFSI는 가격이 비싸지만 안정성과 효율 측면에서 LiPF6보다 뛰어나다. 국내 대표적 전해질 전문 생산 업체로는 천보가 꼽힌다.
테슬라 캐나다 배터리 연구그룹은 논문 요약문에서 “3.8V까지 작동하기에 충분한 흑연 만을 갖는 단결정 Li[Ni0].5Mn0.3Co0.2]O2//흑연(NMC532) 파우치셀을 3.65V 또는 3.8V로 충전해 유사한 최대 충전 전위 또는 비슷한 음극사용을 근거로 한 LiFePO4//흑연(LFP) 파우치셀과의 비교를 용이하게 했다. 위 NMC532(니켈망간코발트 50:30:20 배합 양극재) 셀은 3.80V까지 충전될 수 있는 충분한 흑연만으로 구성될 경우 LFP 셀을 초과하는 에너지 밀도와 40°C, 55°C, 70°C에서 LFP 셀을 크게 초과하는 사이클 수명을 갖는다. LiFSI염을 함유한 전해질은 고온에서 기존 6불화인산리튬(LiPF6) 전해질이 제공하는 것보다 훨씬 우수한 우수한 수명을 보여주었다”고 쓰고 있다.
전기여객기 시대 열어줄 리튬 공기 배터리도 성과
새로운 리튬 공기 배터리가 전기 여객기의 길을 열어줄 수 있을 것으로 기대를 모은다. 일론 머스크 테슬라 CEO는 2년 전 “3년 내 전기비행기를 띄울 수 있을 것”이라고 호언했다. 일본 국립재료 과학연구소 연구팀의 최신 성과가 상업화로 이어지면 그 꿈을 실현해 줄 수 있을 것이다. (사진=에비에이션)
테슬라 배터리 연구그룹과 별개로 전기 여객기 시대의 길을 열어 줄 것이란 기대를 모으는 새로운 리튬 공기(Li-air) 배터리 관련 연구성과도 등장했다. 성과의 핵심은 기록적 배터리 에너지 밀도다.
최근 일본 소프트뱅크 그룹의 지원을 받는 일본 국립재료과학연구소(NIMS) 연구팀이 kg당 500와트시(Wh/kg) 이상의 기록적 에너지 밀도를 가진 리튬 공기 배터리를 개발했다고 밝혔다. 이는 테슬라 모델3에 들어간 파나소닉 리튬이온 배터리(260Wh/kg)의 약 2배에 이르는 에너지 밀도다.
특히 이 수치는 엔지니어들이 지속 가능하고 효율적이며 비행 시 조용한 전기 여객기를 실현할 수 있는 포인트로 간주되기에 중요하다.
머티리얼즈 호라이즌즈(Materials Horizons)지에 발표된 연구 결과에 따르면, 이 리튬공기 배터리는 지금까지 달성된 것 가운데 가장 높은 수치의 에너지 밀도와 가장 긴 사이클 수명을 달성했을 뿐 아니라 상온에서 배터리를 충방전할 수 있다. 이는 리튬 공기 배터리의 실용화를 위한 토대가 될 수 있기에 엄청난 성과로 받아들여진다.
리튬-공기 배터리는 음극에서 리튬의 산화, 양극에서 산소 환원을 이용해 전류 흐름을 유도하는 금속-공기 전기화학 셀 또는 화학전지다. 즉, 양극재 대신 산소를 사용함으로써 배터리 셀 대부분을 리튬 금속이 차지하게 된다. 이 경우 배터리 자체가 가벼워지는데다 양극재 대신 리튬을 더 많이 사용해 축전 용량을 늘릴 수 있다. 기존 리튬이온전지보다 전위 에너지 밀도가 몇 배나 큰 고용량의 경량 배터리를 만들 수 있다.
리튬공기배터리의 충전(왼쪽)과 방전 원리를 보여주는 도면. (사진=위키피디아)
이러한 잠재적 이점 때문에 이 배터리는 언젠가 궁극의 충전 배터리가 될 수 있을 것으로 기대를 모은다. 따라서 휴대폰, 드론, 전기 자동차, 플라잉카, 가정용 전기 저장 시스템과 같은 기술에서 그들의 올바른 위치를 찾는 것은 시간문제일 수 있다.
그러나 풀 배터리 팩(케이스, 공기 채널, 리튬 기판)의 중량까지 고려하면 리튬 만으로는 매우 가벼울지 몰라도 결과적으로 에너지 밀도가 상당히 떨어지게 된다.
이 때문에 상업적 구현을 위해서는 리튬공기 배터리의 실질적 출력과 수명 주기에 대한 상당한 개선이 필요하다. 이를 위한 접근법으로는 비양성자성(aprotic), 수성(aqueous), 고체 상태 및 혼합 수성-비양성자성 접근법 등 네 가지가 고려되고 있다.
일본 국립재료과학연구소(NIMS) 연구팀의 다음 단계는 새로운 리튬 공기 배터리에 통합할 수 있는 고성능 배터리 소재를 개발해 사이클 수명을 늘리는 것이다. 그런 다음 배터리를 사용하는 시도를 가속화할 수 있게 될 것이다. 아직 시간이 걸리는 작업인 셈이다.
차세대 전지 ‘리튬공기배터리’ 수명 늘릴 방법 찾았다
KAIST·숙명여대 연구팀이 개발한 ‘금속 유기 구조체’의 나노미터 크기 구멍 안에 촉매가 들어가는 모습. 리튬공기배터리의 수명을 늘릴 수 있는 신기술이다. KAIST 제공
국내 연구진이 차세대 전지인 ‘리튬공기배터리’를 상용화할 핵심 기술을 개발했다.
KAIST(카이스트) 신소재공학과 강정구 교수와 숙명여대 화공생명공학부 최경민 교수 연구팀은 ‘리튬공기배터리’의 충·방전 횟수를 늘릴 새로운 촉매를 개발했다고 1일 밝혔다. 연구 결과는 국제 학술지 ‘어드밴스드 사이언스’ 최신호에 실렸다.
현재 전기 자동차 등에 널리 활용되는 이차전지인 ‘리튬이온배터리’는 집어넣을 수 있는 전기 에너지의 양이 비교적 적다. 이 때문에 자동차에 쓰려면 배터리를 최대한 여러 개 탑재해야 한다. 트렁크 공간이 좁아지는 것을 감수하거나 차량 뒷부분 길이를 비정상적으로 늘리는 일이 많다.
리튬공기배터리는 이론상 리튬이온배터리보다 용량을 10배 키울 수 있어 이런 문제의 해결책으로 떠오르고 있다. 문제는 충·방전 횟수다. 리튬이온배터리는 대개 수천 번 충·방전 할 수 있지만, 리튬공기배터리는 10회 정도가 한계다. 한 번에 퍼담을 수 있는 전기의 양은 많지만, 수명은 매우 짧은 것이다.
연구팀은 이런 문제를 해결하기 위해 리튬공기배터리 촉매에 이른바 ‘금속 유기 구조체’를 사용하는 기술을 개발했다. 금속 유기 구조체는 1g만으로도 축구장 넓이의 표면적을 갖는데, 숯처럼 표면에 작은 구멍이 수없이 뚫려 있어 나타나는 특징이다. 금속 유기 구조체에 형성된 1㎚ 이하의 작은 구멍 안에 원자 크기의 촉매 물질을 집어넣은 것이다. 촉매에는 물 분자와 코발트 이온을 반응시켜 형성된 ‘코발트 수산화물’을 썼다.
결과적으로 금속 유기 구조체에 만들어진 초소형 방에서 촉매가 서로 달라붙지 않고 제 구실을 오래 하면서 수명이 늘어난 것이다. 연구팀은 충·방전 횟수가 30회를 기록했다며 촉매가 도입되지 않은 리튬공기배터리보다 3배 늘었다고 밝혔다.
논문 제1저자인 KAIST 신소재공학과 최원호 박사과정생은 “향후 상용화가 진행되면 태양광 발전 설비와 연계된 에너지저장장치(ESS) 등에도 활용할 수 있을 것으로 보인다”고 말했다.
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