2023. 4. 11. 11:53ㆍ테크
꿈을 실현해 줄 리튬공기전지
리튬이온배터리는 이제 우리 생활에 있어서 없어서는 안 된 존재가 되었습니다. 전기차는 구동시키는 주요 에너지원이 되고, 태양열이나 풍력에너지 등과 같은 재생에너지 보관을 위해 필수적인 부분이기 때문입니다. 그러나 고성능배터리를 개발하기 위해서는 천문학적인 돈과 리소스가 투입됩니다. 시장은 좀 더 고용량이면서도 충. 방전의 리사이클 횟수가 큰 제품을 원하고 있습니다. 이를 위해서 각 국의 연구소와 업체의 개발팀은 좀 더 고성능이면서 안정성이 확보되고 게다가 생산단가까지 만족하기 위해 노력하고 있습니다. 분명 배터리는 가까운 미래의 EV산업 및 재생에너지 산업의 게임체인저가 될 것이 분명하기 때문입니다.
세상에서 가장 얇으면서도
가장 고용량인 배터리가 있다면
어떨까요?
리튬공기전지 원리
리튬공기전지의 존재는 새로운 개념은 아니었습니다. 기존의 리튬공기전지는 리튬이 액체전해질을 이동해 방전 중 산소와 결합하는 과정 시 과산화리튬(or 초산화 리튬)을 생성하는데, 과산화리튬은 충전할 때 리튬과 산소성분으로 분해되는 화학반응원리를 이용하여 에너지를 저장 또는 방출할 수 있었습니다. 다만 리튬공기전지는 사이클이 극도로 짧다는 단점 때문에 양산화 하기 힘든 개념이었습니다. 그런데 올 초 아르곤(Argonne) 국립연구소는 이러한 수명 단점을 개선하기 위해 고체상태의 세라믹 폴리머 전해질(CPE, Ceramic Polymer Electrolyte)을 사용한 리튬공기전지를 발표했습니다.
리튬공기전지는 양극(Cathode)과 음극(anode), 그리고 전해질(electrolyte)로 구성됩니다. 음극은 리튬금속으로 구성되어 있고 양극은 공기전극으로 되어 있어 대부분의 산소분자를 이용할 수 있도록 다공성의 형태를 갖습니다. 이 구멍들을 통해서 공기가 유입되고 산화반응을 일으켜 전하를 생성합니다.
이 새로운 리튬공기전지는 CPE를 채용함으로써 산화리튬을 생성할 수 있습니다. 산화리튬은 과거 리튬공기전지에서 생성되었던 과산화리튬의 화학반응과 달리 산소 1 분자 당 4개의 전자를 축적시켜 더 높은 효율이 가능해졌습니다.
리튬공기전지 장. 단점
리튬이온전지 대비 리튬공기전지가 우수한 이유는 여러 가지가 있습니다.
첫째 부피당 에너지밀도가 높습니다.
일반적인 리튬이온전지의 경우 양극재를 주로 리튬, 망간, 코발트 3원계의 재료를 사용합니다. 반면 전고체 리튬공기전지의 경우 양극재 전체가 리튬산화물로 구성되어 있어 화학작용에 따라 산소와의 분리과정을 통해 전하를 생성합니다. 즉 구성물이 리튬과 산소분자로만 되어 있어 더 작은 부피에 더 고용량의 에너지를 낼 수 있다는 장점이 있습니다.
둘째는 충전속도가 매우 빠릅니다.
공기분자와의 화학적 결합을 이용하기 때문에 충전시간을 획기적으로 낮출 수 있습니다.
셋째는 경량화가 가능합니다.
리튬공기전지는 공기를 이용하기 때문에 음극은 리튬금속만 있으면 됩니다.
마지막으로 공기를 사용하는 구조이기 때문에 환경오염에 대한 리스크가 낮다는 장점이 있습니다.
이처럼 리튬공기전지는 더 작은 부피로 더 높은 에너지 밀도를 가지고 있으며, 충. 방전 속도 역시 뛰어나다는 장점이 있지만 충방전 횟수에 있어서 수명이 좋지 않은 단점이 있습니다. 하지만 CPE를 사용할 경우 1000 cycle까지 이론적으로 가능하다고 합니다. 만일 1회 충전으로 500km를 가는 전기차라고 가정한다면 최대 50만 km까지 사용이 가능하다는 의미입니다. 따라서 사용상에 충분한 조건이라고 할 수 있습니다.
리튬공기전지 양산화 과정 중 문제점
하지만 리튬공기전지의 양산화에는 아직까지 갈길이 남아 있습니다. 상용화를 위한 가장 큰 문제점은 아래와 같습니다.
첫째 리튬공기전지는 공기와의 산화과정을 이용하기 때문에 공기전극과의 상호작용이 매우 중요합니다. 공기전극은 높은 에너지 활동도를 가지고 있기 때문에 어떻게 안전성을 확보할 것인가에 대한 과제가 남아 있습니다.
둘째는 양산화를 위한 경제성을 확보해야 합니다. 리튬공기전지의 제조 및 운영비용은 아직도 높은 수준입니다. 경쟁력 있는 가격대를 확보하기 위해서는 생산라인의 슬림화 및 제조공정기술의 발전이 필요합니다.
마지막으로 리튬공기전지는 높은 에너지 밀도를 가지고 있어 이와 관련된 안전성 및 화재. 폭발에 대한 기준이 정립되어야 합니다.
이러한 문제점들은 리튬공기전지의 양산화에 걸림돌로 작용하고 있습니다. 하지만 분명 리튬공기전지는 EV 및 ESS 등 다양한 산업에 응용가능성이 높은 전지임에 틀림없습니다. 향후 리튬공기전지의 안전성 및 양산기술을 발전시켜 더욱 효율적인 배터리로서 자리메김하기를 기대합니다.
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