리튬-공기전지의 기술 동향 및 상용화 전망

리튬-공기전지의 기술 동향 및 상용화 전망

 

리튬-공기전지의 기술 동향기사

현재까지 소형 IT시장 중심으로 상용화된 이차전지 중 가장 큰 에너지밀도를 지닌 리튬 이온이차전지(Lithium ion battery; LiB) 는 이제는 이론적인 에너지밀도가 한계에 다다른 상황이고, 미래의 중대형 이차전지 시장을 장악하기에는 제한적인 에너지밀도와 안전성 측면에서 기술적 한계점을 가지고 있다. 따라서 리튬이온전지(LiB)의 한계점을 획기적으로 뛰어넘을 수 있는 차세대 혹은 Post-LiB 전지 기술들이 속속 등장하고 있으며, 과거 등장했으나 빛을 보지 못했던 배터리 기술들도 다시 연구되고 주목받고 있다. 대표적인 Post-LiB 후보 기술로는 리튬 황 전지, 리튬 공기 전지, 전고체 전지 등을 들 수 있다.

일본 NEDO에 따르면 리튬-이온 이차전지의 한계 에너지밀도는 최대 250 Wh/kg이 될 것으로 예상하고 있으며, 본격적인 전기자동차 보급에 필요한 500 km 이상을 주행할 수 있는 전기자동차를 실현하기 위해서는 700 Wh/kg 이상의 에너지밀도를 갖는 새로운 형태의 배터리가 개발되어야 하는 상황이며, 여러 후보 기술 중 700 Wh/kg 이상의 에너지밀도를 구현할 수 있는 기술로는 리튬-공기 전지, 아연-공기 전지 등의 금속-공기 전지가 가장 유망하다고 알려져 있다.

금속-공기 전지의 최대 장점은 자연계에 무한히 존재하는 산소를 활물질로 이용하지만 다른 이차전지 대비 매우 높은 이론 에너지밀도를 가지면서 친환경적인 특성도 보유하고 있다는 것이다. 여러 종류의 금속-공기 전지 중 에너지밀도, 전기적 충·방전 가능성 및 기타 전기화학적 특성 비교시, 차세대 전기자동차용 이차전지로는 리튬-공기 및 아연-공기 전지가 가장 유망한 후보군으로 뽑히고 있다. 특히 리튬-공기 전지는 이론 에너지밀도가 11,140 Wh/kg에 달해 13,000 Wh/kg인 가솔린과 유사한 특성을 보이면서 금속-공기 전지 중에서도 가장 큰 에너지밀도의 값을 갖고 있다. 이러한 잠재력 때문에 2000년대 중반부터는 아연-공기 전지보다는 리튬-공기 전지에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.

리튬공기전지의 상용화를 위해 극복해야 할 많은 문제들이 산재해 있어 상용화는 다소 시일이 걸릴것으로 전망이 점쳐치고 있지만 다양한 학문 분야의 연구자들의 지식과 전문성이 요구되는 도전적인 분야이다. 최근들어 IBM, Toyota, 삼성전자 등 다수의 글로벌 기업들이 개발 경쟁에 속속 진입하면서 연구 개발 투자가 이어지고 있어서 기존의 리튬이온전지 및 연료전지 분야 기술 역량을 기반으로 적극적으로 연구 개발을 진행할 경우, 기술적 난제를 조기에 해결하고 상용화를 앞당길 수 있을 것으로 예상된다.

본 보고서에서는 최근 Post-LiB 기술 중 가장 많은 관심을 받고 있는 리튬-공기 전지에 대한 기술 이슈, 요소 기술, 기술 개발동향, 특허 동향 등에 대하여 기술하였다.

비교적 최근 리튬-공기 전지 개발동향 기사들을 소개합니다

SK이노베이션  리튬-공기전지 개발동향 (2019년 2월)

SK이노베이션이 미국의 배터리 업체 폴리폴러스와 기존의 리튬이온 배터리보다 두배 긴 거리를 달릴 수 있는 차세대 전기차용 리튬금속 배터리 개발에 나섰다

2019년 2월19일 SK이노베이션은 지난 18일(현지시간) 폴리폴러스 본사가 위치한 미국 캘리포니아 버클리에서 기존 리튬이온보다 에너지 밀도가 2배 높은 리튬금속배터리개발을 위한 공동개발 협약을 체결했다고 밝혔다.

리튬금속배터리는 리튬이온 배터리보다 에너지 밀도가 두배가량 높은 에너지밀도를 갖춘 미래전기차용 차세대 배터리로 꼽힌다. 인느 흑연대비 10배이상의 용량을 지닌 리튬음극을 사용해 에너지밀도가 1,000wh/L(약 1,000wh/kg)에 달한다

SK이노베이션 기술혁신위원장은 “빠르게 진행되는 미래전지차 사업에서 주도권을 갖기 위한 차세데 핵심역량은 기술력”이라며 앞으로도 오픈 이노베이션을 활용해 다양한 외부단체와 협력을 넓혀 나갈 것이라 전했다.

SK이노베이션은 오는 2021년 하반기까지 폴리플러스가 보유한 전도성 유리막 연구개발에 수십억원을 투자하고, 이를 리튬 금속 배터리 개발에 적용한다는 계획이다. 이는 전도성 유리분리막이 리튬금속배터리의 충전과정에서 발생하는 비정상적인 결정(덴트라이트)이 분리막을 통과하지 못하도록 억제해, 리튬금속배터리를 안정화시킬 수 있는 핵심 소재로 평가 받고 있기 때문이다,

카이스트 신소재공학부의  리튬-공기전지 개발동향 (2016년 2월)

카이스트 신소재공학과 김일두 교수 연구팀(김상욱 교수 공동연구)이 개발한 리튬-공기전지의 핵심인 촉매를 대량생산할 수 있는 원천기술개발.

리튬-공기 전지는 같은 부피에 기존 리튬-이온 전지보다 용량이 10배 이상 커지며 대기 중 산소를 연료료 활용하기 때문에 전기 자동차 등에 사용하기에 좋은 차세대 전지로 개발되고 있습니다. 하지만 방전 시에 생성되는 고체 리튬산화물(Li2O2)이 충전 과정에서 원활히 분해되지 않아 전지의 효율 및 수명저하로 상용화에 어려움이 있었습니다.

이를 해결하기 위해 연구팀은 루테늄과 망간 전구체가 녹아 있는 고분자 용액을 전기 방사해 고분자 복합섬유를 합성하고 고온 열처리를 통해 거푸집 역할을 하는 고분자 템플릿을 없애 루테늄산화물 및 망간산화물의 이종 물질이 함께 복합체를 이루는 이중튜브 구조의 촉매를 완성했다고 합니다. 이중 튜브는 안쪽과 바깥쪽 벽이 동시에 촉매 반응을 일으킬 수 있으며 비어있는 공간이 많아 가볍다고 합니다.

연구진은 해당 기술이 생산 공정이 매우 쉽고 대량생산이 가능한 기술이며 촉매의 성능이 우수해 차세대 전지로 각광받는 리튬-공기전지의 상용화를 앞당기는 데 기여할 것이라고 말했습니다

강원대 에너지공학부의  리튬-공기전지 개발동향 (2016년 2월)

강원대 에너지공학부 조용훈 교수팀은 리튬이차전지의 충전용량을 2배 이상 높일 수 있는 고용량 전극 소재를 개발했다고 합니다. 해당 소재는 물에 구리 가루를 분산시킨 뒤 얼렸다가 얼음만 제거해 다공성 구조체를 얻는 '프리즈 캐스팅' 기법을 사용해 만들어진다고 하네요.

리튬이차전지의 충전용량을 높이기 위해서는 고용량 소재에 구멍이 많은 다공성 구조이면서 에너지 밀도를 높일 수 있도록 조밀한 구조인 전극이 필요한데 해당 기술을 통해 얻은 다공성 구리 구조체를 만들고 여기에 산화주석(SnO2)을 코팅해 리튬이차전지용 일체형 전극을 개발하면 충전용량이 기본보다 2배 이상 증가한다고 합니다.

사실 삼성이고 어디고 1~2년 전부터 배터리의 용량을 2배 높이는 기술 개발이라고 뉴스에 많이 나왔지만 배터리는 아직도 크게 증가하지는 않고 있습니다. 빨리 배터리 용량 증가 기술이 상용화되어 언제 즈음, 배터리 걱정 없이 스마트폰과 웨어러블 기기를 사용할 수 있을런지?

울산과학기술원의  리튬-공기전지 개발동향 (2019년 5월)

울산과학기술원(UNIST)이 2019년 5월 국제학술지 ‘나노레터스’ 지난달 29일자 온라인판에 발표한 내용이다

탄소나노튜브를 이용해 ‘리튬 금속 배터리’의 안정성을 높이는 기술을 개발했다. 리튬 금속 배터리는 리튬 이온 배터리에 비해 약 10배 큰 용량을 가져 차세대 배터리로 꼽히지만 금속의 반응성이 커 내구성과 안정성 면에서 취약했다. 

울산과학기술원(UNIST)는 이상영∙곽상규 에너지및화학공학부 교수 연구팀이 탄소나노튜브에 리튬이 갇히는 원리를 규명해 물속에서도 안전하게 리튬을 저장하는 기술을 개발했다고 27일 밝혔다.

탄소나노튜브는 수 나노미터 지름의 크기에 속이 빈 원기둥 모양의 탄소소재로 상호작용에 의한 다발 구조를 가지고 있다. 탄소나노튜브에 리튬 이온을 저장할 수 있어 배터리 소재로 사용가능하지만 저장 효율이 낮다는 단점이 존재한다. 낮은 저장 효율의 요인은 탄소나노튜브의 표면 부반응에 의해 리튬 이온이 소모된다는 점이 꼽혔다. 부반응은 주반응과 동시에 제한된 비율 내에서 일어나는 다른 반응을 뜻한다. 하지만 이는 튜브 다발의 밀도가 높아 표면적이 작아진 경우에도 부반응에 참여하는 리튬 이온 숫자가 그대로인 경우를 설명하지 못했다. 

연구팀은 탄소나노튜브 표면이 아닌 탄소나노튜브 내 각 다발이 이루는 내부 구조에 주목했다. 튜브 속 다발의 밀도를 정밀하게 제어하며 그 구조에 따른 현상을 살펴본 결과, 튜브 다발 사이에 리튬 이온이 갇히는 현상을 발견했다. 연구팀은 “표면 부반응에 의해 리튬 이온이 소모된 것이 아닌 다발 내구 구조에 갇혀서 반응에 참여하지 못하는 것”이라고 설명했다.

연구팀은 이 현상에서 착안해 리튬 금속 배터리의 안정성을 높이는 기술을 개발했다. 리튬 이온을 탄소나노튜브 구조에 가뒀다가 리튬 금속으로 추출해 사용하는 것이다. 이를 통해 리튬 금속의 산화 반응성을 줄이고, 리튬 보관의 안정성을 높였다. 실제로 리튬 금속 배터리를 물속에 넣어도 격렬한 산화반응이 일어나지 않았다.

공동 제1저자로 연구에 참여한 조석규 UNIST 박사과정생은 “탄소나노튜브의 나노 다발 구조에 리튬을 저장할 수 있다는 걸 처음 밝힌 연구”라며 “탄소나노튜브에 갇힌 리튬이 손실 없이 리튬 금속으로 추출돼 리튬 저장 물질로 사용 가능함을 입증한 만큼 실제 응용을 위한 추가 연구를 진행할 계획”이라고 밝혔다.

이 교수는 “이번 연구는 안전한 리튬 금속을 연구하는 새로운 방향을 제시해 차세대 리튬 금속 배터리의 상용화에 꼭 필요한 고안전성 리튬 저장 기술 개발의 발판을 마련했다”며 “특히 대기 중에 노출하는 것은 물론 물속에서도 산화 반응이 없는 높은 수준의 안전성을 구현한 점이 주목할 부분”이라고 말했다.

이번 연구결과는 국제학술지 ‘나노레터스’ 지난달 29일자 온라인판에 발표됐다.