리튬메탈배터리의 수명을 늘리는 방법

리튬메탈 캐미스트리에서 수명을 연장하는 방법을 발견하다. 

최근 스탠퍼드의 프리코트 에너지 연구소는 리튬 금속 배터리에서도 열화로 인한 용량 손실을 복구할 수 있다는 흥미로운 특성을 발견했습니다. 리튬 금속 배터리는 아직 주류 배터리 캐미스트리와 거리는 있지만, 리튬 메탈은 에너지 밀도가 높기 때문에 차세대 캐미스트리로서 역할을 충실히 할 수 있다고 생각됩니다. 
 배터리 셀 하나하나는 개별적인 의미에서 보기에는 별것 아닙니다. 하지만 전기차 파워트레인은 수백 개의 셀이 직렬과 병렬로 연결되어 있어서 에너지 밀도와 수명을 극대화할 수 있는 셀 캐미스트리를 찾아야 미래의 전기차에 동력을 공급할 수 있습니다. 그런 의미에서 배터리의 용량을 획기적으로 늘리기 위한 연구는 계속되고 있습니다. 

 

리튬이온배터리와 리튬메탈배터리의 차이점 

 리튬 메탈 배터리는 오늘날의 스마트폰과 EV에 전원을 공급하는 리튬 이온 배터리와 유사하지만 눈에 띄는 차이점이 있습니다. 리튬 이온 배터리에서 양극은 다공성 리튬 산화물로 만들어지고 음극은 흑연으로 구성됩니다. 리튬 메탈 배터리는 리튬 산화물 양극을 유지하지만 음극의 흑연을 리튬으로 전기 도금하여 사용하는 차이점이 있습니다. 전기 도금된 리튬 음극을 사용함으로써 충전 저장 용량이 크게 증가하여 해당 배터리를 사용하는 경우 전기차의 주행거리를 획기적으로 늘릴 수 있습니다. 

 

리튬메탈배터리의 단점 

그러나 한 가지 문제점은 리튬 메탈 배터리가 리튬 이온 배터리보다 훨씬 더 빠르게 용량이 저하된다는 것입니다. 배터리가 충.방전 사이클을 거치면 전기도금된 리튬 금속의 비트가 음극에서 분리될 수 있습니다. 동시에 셀이 방전되면서 SEI(Solid Electrolyte Interface, 이중고체 전해질계면) 매트릭스가 형성됩니다. SEI 매트릭스는 리튬 메탈 음극과 전해질이 만나는 곳에 형성됩니다. 리튬 메탈 배터리에서 액체 또는 고체 상태일 수 있는 전해질에는 분리막이 들어 있어 양극과 음극이 서로 접촉하는 것을 방지하지만 전자는 통과할 수 있습니다.

리튬 메탈이 분리되면 새로 형성된 SEI(이중 고체 전해질 계면) 매트릭스에 의해 포획되어 덴드라이트(수지상정)가 됩니다. 포획되면 더 이상 배터리 충전 사이클에 기여하지 않게 되는데 이 경우 수지상 리튬은 "죽은 것"으로 간주되어 셀의 충전 용량이 감소하여 배터리 성능이 저하됩니다. 배터리 열화는 일반적으로 비가역적, 다시 말해 한번 발생하면 되돌릴 수 없는 것으로 간주됩니다.

 

 

리튬메탈구조 배터리의 용량복구 방법

 Stanford의 최근 연구는 적절한 충전 프로토콜로 리튬 금속 배터리의 감소된 용량을 복구할 수 있다는 것을 보여줍니다.  배터리를 몇 시간 동안 완전히 방전된 상태로 놔둘경우 용량복구가 가능할 수 있다는 의미입니다.  그 이론적인 근거는 리튬 금속 배터리가 장기간 완전히 충전된 상태로 앉아있을 때 성능이 저하된다면, 배터리가 완전히 방전된 상태에서 그 반대가 발생할 수 있다는 것이었습니다. 스탠퍼드 연구진는 실제 위와 같은 방법을 통해서 용량복구 실험에서 의미 있는 결과를 확인하였습니다. 

이번 Stanford의 연구는 리튬 메탈 배터리 셀에서 저하된 용량이 회복될 수 있다는 것을 보여줍니다. 방전된 셀을 몇 시간 동안 방치하면 SEI 매트릭스가 전해질에 용해되기 시작하여 묶였던 리튬을 풀어줍니다. 그 후, 배터리가 충전되면서 리튬이 다시 부착되어 배터리 충전 용량에 다시 기여할 수 있습니다. Nature지의 연구에 따르면, "살아난" 셀에서 98.2%의 칼럼 효율과 대조군 셀에서 96.9%의 칼럼 효율이 나왔습니다. 이것은 "살아난" 셀이 대조군보다 더 많은 에너지를 보유하고 있다는 것을 의미합니다.

 

 

리튬메탈 구조의 용량증가가 가져올 변화 

 

 아직은 전기차에서 본격적인 배터리 팩을 적용한 대규모 프로젝트에 대한 연구가 더 필요합니다. 이는 이러한 배터리를 소비자 차량으로 가져오는 데 필요한 실제 데이터를 제공할 것입니다. 이 프로젝트가 연구실에서와 유사한 결과를 확인하게 된다면, 향후 리튬 메탈 전기차 소유자는 다양한 특성을 염두에 두어야 할 것입니다. 

전기차의 리튬 금속 배터리는 운전자에게 다른 운전 습관을 요구할 수 있습니다. 가령 배터리충전상태를 매주 0으로 낮추고 잠재적으로 수명을 향상하기 위해 배터리를 그대로 두어야 할 수도 있습니다. 약간은 불편할 수 있기는 하지만 이러한 변화는 더 나은 방향으로 진행될 것입니다. 시간이 지남에 따라 이러한 배터리로 충전 패턴을 변경하면 자동차에 동력을 공급하는 수명이 훨씬 길어질 수 있습니다. 아직까지는 이러한 방식의 용량복구가 실제 상황에서 배터리의 수명을 얼마나 늘려줄 수 있는지 확실하지는 않습니다. 하지만 분명 상당한 파급력을 보일 것이라고 연구진은 내다보고 있습니다.