리튬공기배터리의 혁명

1. 리튬공기배터리의 새로운 돌파구

 

[출처] 리튬 공기 배터리 개발의 새로운 돌파구

 

배터리, 특히 리튬 배터리는 이미 많은 발전을 이룩했지만 아직도 발전의 여지가 많이 남아있습니다. 그 중에서 미래 리튬 계통 배터리의 희망으로 생각되는 영역이 리튬 - 공기 배터리 (Lithium - air battery)입니다.

 

금속 - 공기 배터리의 일종인 리튬 - 공기 배터리는 기존의 리튬 이온 배터리 대비 최대 10배의 에너지 저장밀도를 구현할 수 있습니다. 그 이론적 에너지 밀도값은 가솔린과 비슷한 수준이어서 만약 상용화만 가능하다면 한 번 충전으로 일주일가는 스마트폰이나 노트북도 가능할 수 있습니다. 

 

하지만 리튬 - 공기 배터리의 가장 큰 가능성은 전기 자동차와 대규모 에너지 저장 시스템에 있습니다. 가벼운 배터리로 충분한 에너지를 저장할 수 있다면 현재의 전기 자동차의 무게 역시 자연스럽게 경량화되면서 성능이 크게 개선될 수 있습니다. 또 풍력이나 태양광 발전의 가장 큰 문제인 에너지 공급의 불규칙성 역시 강력한 배터리가 있다면 극복할 수 있는 문제입니다.

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이런 이유에서 세계 각국의 기업과 연구소, 대학들이 리튬 - 공기 배터리 개발에 매달렸지만, 아직 실용화 단계에 이른 리튬 - 공기 배터리는 없습니다. 대부분 실험실 단계나 이론 단계를 벗어나지 못하고 있죠.

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최근 캠브리지 대학의 클레이 그레이 교수(Professor Clare Grey of Cambridge's Department of Chemistry)와 타오 리우 박사(Dr Tao Liu) 및 그의 동료들이 저널 사이언스에 발표한 내용에 의하면 새로운 형태의 그래핀 기반 전극을 지닌 리튬 - 산소 배터리가 90% 이상의 효율과 2000회의 충방전 사이클을 견딜 수 있다고 합니다.

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(리튬 - 공기 배터리의 개념도. 출처: 위키피디아 )

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이들이 개발한 리튬 - 공기(산소) 배터리는 위에 보이는 것과 같은 개념으로 충방전을 하게 됩니다. 산화제 대신 공기 중의 산소를 사용하기 때문에 무게와 크기를 대폭 줄일 수 있는 것이죠. 하지만, 실제로 이런 전극의 효율은 별로 높지 않았습니다.

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캠브리지 대학 연구팀은 다공성의 그래핀과 리튬 요오드(Lithium iodine), 그리고 lithium hydroxide (LiOH)를 이용한 새로운 전극을 통해서 여러 번 충방전시에도 안정적이고 효율이 높은 리튬 - 산소 배터리를 만드는데 성공했습니다.

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여기까지 들으면 이제 배터리 혁명이 다가온 것 같지만 사실은 아직 넘어야할 산이 많습니다.

 

이번에 만들어진 리튬 공기 배터리의 경우 불행히 100% 산소 에서만 작동이 가능합니다. 실제 공기 중 산소와 반응하기 위해서는 산소 이외에도 질소, 이산화탄소, 아르곤 및 여러 물질에 내성이 있어야 합니다.

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​따라서 아직 리튬 - 공기 배터리를 비롯한 금속 - 공기 배터리는 아직 가야할 길이 많이 남았습니다. 하지만 고성능 배터리에 대한 전세계적인 강력한 수요를 감안하면 사실 미래는 밝다고 생각합니다.

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​필요는 발명의 어머니일 뿐 아니라 큰 돈이 될 것이기 때문체 차세대 배터리 개발은 치열하게 계속되리라 믿습니다.

 

2. 오래가는 전기차’ 리튬공기 배터리 개발

출처: http://www.sciencetimes.co.kr/?p=117383&cat=134&post_type=news&paged=69

 

KAIST(한국과학기술원)는 신소재공학과 김일두·전석우 교수와 경기대학교 신소재공학과 박용준 교수 공동연구팀이 전기차 등에 쓰이는 차세대 고용량 전지인 ‘리튬공기 이차전지’의 핵심기술을 개발했다고 5일 밝혔다.

연구팀은 나노섬유 그래핀 복합촉매를 이용해 기존 리튬이온 이차전지보다 5배 높은 리튬공기 이차전지를 만드는 데 성공했다.

음극과 양극 재료가 각각 흑연, 리튬전이금속산화물로 된 리튬이온 이차전지는 휴대전화와 노트북 등에 주로 사용된다. 전기차용으로도 검토되고 있지만 한 번 충전에 160㎞ 정도밖에 주행할 수 없어 용량이 충분하지 않다는 문제가 있다.

연구팀이 개발한 ‘리튬공기 이차전지’는 음극과 양극 재료로 각각 리튬과 산소를 사용하는데 무게가 가벼우면서도 얻을 수 있는 에너지 밀도는 리튬이온 이차전지보다 높아 차세대 이차전지로 각광받고 있다.

하지만 방전시 리튬과 산소가 만나 리튬산화물이 형성된 뒤 충천을 해도 쉽게 분해되지 않아 높은 저항이 발생하며, 수명이 짧아 상용화에 어려움이 있었다.

연구팀은 리튬산화물의 형성과 분해 반응을 수월하게 해주는 고효율 나노 복합촉매를 개발, 리튬공기 이차전지의 양극에 적용했다.

그 결과 리튬이온 이차전지 용량의 5배에 달하는 1천mAh/g 이상의 고용량에서도 80차례 이상 충·방전이 가능해지는 등 우수한 수명 특성을 보였다. 이는 현재까지 보고된 성능 중 가장 높은 수준이라고 연구팀은 전했다.

상용화에 성공해 전기차에 적용하면 한 번 충전에 800㎞ 이상 주행할 수 있어 서울과 부산을 왕복하는 것도 가능해질 것으로 기대된다.

김일두 교수는 “나노 복합촉매는 대량생산이 가능한 금속 산화물과 그래핀을 소재로 활용했기 때문에 저렴한 비용으로 제작이 가능하다”면서 “여러 기관과 연구 협력해 전기차 시대를 앞당기도록 노력하겠다”고 말했다.

이번 연구 결과는 나노 분야 권위 있는 학술지 ‘나노레터스(Nano Letters)’ 지난달 8일자 온라인판에 실렸다.

 

3. 리튬 공기 배터리의 혁명

 

[출처] 리튬 공기 배터리의 혁명

            http://phys.org/news/2015-10-path-ultimate-battery.html

일반적으로 새로 나온 배터리는 매우 혁신적이어서 배터리 발전의 몇몇 문제를 해결할 수 있을 정도라고 합니다. 현재 가장 많이 쓰이는 배터리인 리튬 배터리는 오래 충전을 못하고 효율이 매우 높지도 않습니다. 하지만 이번에 과학자들이 만든 리튬 공기 배터리는 에너지 밀도도 높고 90% 더 효율적이고 2000번 이상 충전이 가능 합니다!!

그래서 이 배터리 종류는 리튬 이온 배터리보다 10배 많은 이론적 에너지 밀도가 있어서 궁극의 배터리라 불러집니다. 이 정도의 밀도는 휘발유 만큼의 밀도고 만약 이 배터리를 전기 자동차에 적용하면 배터리 비용과 무게가 원래의 20%라고합니다. 

(사진 출처: Tao Liu)

 

하지만 휘발유를 대체하기 까지는 아직 멀었으며 당연히 문제점이 있습니다. 요번 내용은 케임브리지 대학의 연구진은 이런 몇몇 문제를 해결할 수 있다고 합니다. 그

 

리고 그의 실험 기반인 리튬 공기 배터리도 전시했습니다. 그들이 내놓은 배터리는 구멍이 많은 그라핀과 배터리 화학 작용을 바꾸는 첨가물로 만들어진 탄소 전극이 중점이며 이런 구성은 더 오래 지속하고 효율도 높아집니다. 결과는 좋아 보이지만 연구진은 실제 배터리의 사용은 최소 10년은 기다려야 한다고 했습니다. 비록 기술적인 면에서는 엄청난 발전이며 새로운 연구를 개척할 수 있지만 아직 고유적인 문제를 해결하지 못했다고 합니다. 그래도 실제 장치 사용으로는 되긴 된다고 하네요. 

우리가 사용하는 기술은 계속해서 작아지고, 빨라지고, 비용이 적어지고 있습니다. 로봇, 3D 프린터, 드론, 빅데이터, 웨어러블 디바이스 같지요. 그런데 생활에 중요한 배터리는 그런 기술에서 좀 예외입니다. 그렇지만 발전이 되면 배터리는 스마트폰뿐만 아니라 더 친환경적으로 중요한 태양열이나 전기 자동차를 개선할 수 있습니다. 

 

잠깐 배경 지식을 설명하자면 배터리는 3개의 주요 부분으로 이루어져 있습니다. 양전극, 음전극, 그리고 전기를 흐르게 하는 전해액입니다. 노트북이나 폰에 있는 리튬 배터리는 음전극이 흑연이고 양전극은 리튬 산화코발트 같은 산화 금속입니다. 그리고 전해액은 유기 용액에 용제 된 염화리튬입니다. 배터리의 성능은 전극 사이의 리튬 이온의 움직임으로 인해 결정됩니다. 이런 배터리는 가볍긴 하지만 이의 단점은 충전할 수록 성능이 점점 줄어들어서 에너지 밀도도 낮아 충전을 자주 해야 합니다. 

수십동안 연구진은 리튬 이온 배터리의 대체물을 찾으려 했습니다. 그래서 나온 게 리튬 공기 배터리인데 높은 에너지 밀도 때문에 다음 세대의 궁극적인 에너지 자원이 될 거라고 간주됩니다. 하지만 예전에 연구의 결과에 의하면 효율도 낮고, 성능도 별로고, 원치 않은 화학 작용도 있습니다. 화학 작용이 있으면 이온 움직임에 영향이 가서 전로에도 이상이 가겠죠. 게다가 순도 100% 산소만 흡수를 가능해서 제한적이었습니다. 순도 100% 산소란 안의 불순물이 1도 없고 오로지 산소만 있는 것을 말합니다. 

 

 

연구자 Liu, Grey 그리고 동기들은 예전의 리튬 공기 배터리와 다른 화학 구성을 적용했습니다. 물성분이 없는 원래의 리튬 과산화물 (Li2O2) 가 아니라 수산화 리튬 (LiOH)를 배터리에 사용했습니다. 또한 그라핀을 더 투과성있게 만들었고 물을 넣고 옥화 리튬을 중재인 역할로 이용해서 다른 화학 작용도 적었고 배터리가 더 오래 유지했습니다.

 

맨 위 그림을 보면 그라핀 전극에 전기를 사용할 때는 배달을 해주는 옥화 리튬이 있어서 수산화 리튬이 그라핀 전극에 생깁니다. 간단하게 말하면 이 과정은 리튬 이온을 흐르게 합니다. 그리고 충전할 때는 옥화가 요오드로 산화되서 전극에 있는 LiOH를 제거해서 다시 원래 그라핀으로 돌아와서 원래 상태로 사용하게 해줍니다. 위에 그림은 다른 표현방식이므로 충전과 사용일때의 과정을 보여줍니다. 

전극의 구조를 공학적으로 개조하고, 구멍이 많은 그라핀으로 바꾸고, 옥화 리튬은 넣고 전해액을 화학적으로 바꾸니 흔히 전압 차이라고 불리는 것을 0.2V로 낮추었습니다. 전압 차이가 작을수록 더 효율적입니다. 예전 리튬 공기는 0.5~1.0V였는데 지금 도달한 전압 차이는 리튬 이온 배터리와 같을 뿐만 아니라 효율도 놀라울 정도로 93%입니다. 효율상에서 이런 숫자를 본 적이 없네요. 

하지만 해결해야 할 문제는 금속 전극을 보호해서 리튬 금속 섬유를 안 생산하게 하는거이며 이 물질은 오랫동안 쌓이면 배터리가 폭발하게 합니다. 그리고 100% 산소라서 그런 산소는 잘 없고 주위에 산소는 이산화탄소, 질소가 있어서 금속 전극에게 악영향이 있습니다. 할 연구는 아직 많습니다. 그래도 나름 매우 기대할만한 기술이 나왔으니 미래의 에너지를 담당할 수 있을지 지켜봐야 할 것 같습니다.