리튬공기전지

일본의 AIST(산업기술종합연구소, National Institute of Advanced Industrial Science and Technology)는 기존의 리튬-공기 전지(lithium-air cells)의 성능 및 분해 문제를 해소하기 위해 새로운 구조를 갖는 리튬-공기 전지를 개발하고 있다.

 

새로 개발된 리튬-공기 전지는 50,000mAh/g의 지속적인 cathode 방전 용량을 보여주고 있다. 이에 반해, 기존의 리튬-이온 배터리는 120~150mAh/g, 기존의 리튬-공기 전지는 700~3,000mAh/g에 불과하다. 본 연구결과는 올해 초 교토에서 개최된 일본 전기화학회에서 발표된 바 있다.

 

리튬-공기 전지는 intercalation cathode 대신에 전해질 및 lithium anode와 결합한 촉매성 air cathode를 사용하고 있으며, 이론적으로 매우 높은 에너지 용량을 갖고 있기 때문에 매력적이었다. 하지만 리튬-공기 전지의 심각한 문제점 중 하나는 고형 반응물(Li2O 혹은 Li2O2)이 유기 전해질에서 용해되지 않기 때문에 방전 과정에서 공기 전극을 막아 버리는 것이다. 만약 공기 전극이 완전히 막히면, 대기의 산소는 더 이상 환원되지 않는다.

 

AIST 연구팀은 금속 리튬으로 구성된 anode 측에 유기 전해질을 사용하였으며, 공기로 구성된 cathode 측에는 수성 전해질을 사용하였다. 이 두 가지 전해질은 고형 전해질인 LISICON(lithium super-ion conductor glass film)에 의해 분리되어 있기 때문에, 서로 섞이지 않는다. 오직 리튬 이온만이 고형 전해질을 통과함으로써 배터리의 반응이 서서히 진행되게 된다.

 

AIST는 방전 반응의 생성물이 산화리튬(Li2O)과 같은 고형 물질이 아닌 수산화리튬(LiOH)임을 확인하였다. 이 물질은 수성 전해질에 용해되며 carbon cathode에서 구멍을 막지 않는다. 게다가 물과 질소가 고형 전해질을 통과할 수 없기 때문에, 금속 리튬과의 원하지 않는 반응도 발생하지 않는다. 충전 동안, 공기 전극의 부식과 분해는 충전용으로만 사용되는 또 다른 cathode 전극을 이용함으로써 방지될 수 있다.

금속 리튬은 anode로 사용되고 있으며, 리튬 염을 포함하고 있는 유기 전해질은 anode측에 이용되고 있다. 리튬-이온 고체 전해질은 두 가지 전해질 용액 사이 위치하여 cathode와 anode측을 구획하는 역할을 한다. 알칼리성의 수용성 겔은 cathode 측의 수성 전해질에 사용되고 있으며, cathode는 다공성 탄소와 저렴한 산화물 촉매로 구성되어 있다.

방전 반응은 다음과 같이 진행된다(충전 반응은 이의 역반응이다).

(1) anode에서의 반응: Li→ Li+ + e-
(2) cathode에서의 반응: O2 + 2H2O + 4e- → 4OH-

 

새로운 리튬-공기 배터리는 cathode 측의 수성 전해질이 교환되고 금속 리튬이 anode에 재공급된다면 지속적으로 구동이 가능하다. 연구팀에 따르면, 이런 콘셉트는 ‘리튬 연료 전지’로 간주될 수도 있다고 한다. 공기 전극의 수성 전해질에서 LiOH를 회수함으로써, 금속 리튬을 쉽게 회수하여 연료로서 사용할 수 있게 된다.

 

연구팀은 이 기술을 차량에 적용할 가능성이 크다고 여기고 있다. 충전소에서, 차량의 운전자는 공기 전극용 수성 전해질을 교환하고 anode의 금속 리튬을 충전한다면, 배터리가 재충전되는 시간을 기다릴 필요 없이 바로 차량을 운행할 수 있게 된다.

AIST에 따르면, 새로운 리튬-공기 배터리는 실용성을 위한 추가적인 기술적 개선이 필요하다고 밝히고 있다. 일반적으로 새로운 리튬-공기 배터리 연구에 방향은 크게 두 가지인데, 하나는 재충전용 리튬-공기 배터리이고 다른 하나는 리튬 연료 전지이다.

 

첨부그림#1> 새로 개발된 리튬-공기 전지의 장기 방전 곡선
첨부그림#2> 새로운 AIST 리튬-공기 전지의 구성도
첨부그림#3> 충전용으로만 cathode에서 사용되는 새로운 전지