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리튬이온 전지를 뛰어넘는 고체 리....

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글쓴이 최고관리자 등록일 13-06-10 10:54
조회 1,162
    오늘날 전자기기에 전력을 공급하는 리튬이온 기술의 에너지 밀도보다 4배 정도 더 높은 값을 보이는 온전한 고체 리튬-황 전지가, 미국 에너지부 오크리지국립연구소(Oak Ridge National Laboratory, ORNL) 과학자들에 의해 개발되었다.

    저렴하고 풍부한 황 원소를 사용하는 ORNL의 전지 설계는, 리튬이온 전지의 가연성(flammability) 문제도 해소하였다. 연구결과를 Angewandte Chemie 국제판에 게재한 선임저자인 Chengdu Liang는 지난 150∼200년 이상 사용되어온 액체 전해질과 두 가지의 전극을 사용하는 현재의 전지 개념에서 완전히 탈피한 새로운 방식을 도입하였다고 밝혔다.

    지난 십 년 동안 과학자들은 리튬-황 전지의 잠재력에 대해 관심을 가져왔지만, 상업적 이용을 위한 내구성 및 대규모 생산을 위한 길은 아직 멀다. 연구팀은 액체 전해질을 사용하는 전지에 몰두해 있었다. 액체는 리튬 폴리설파이드(lithium polysulfide)의 용해에 의해 전지를 통해 이온에 전도성을 부여하는데 도움을 준다. 하지만, 이 같은 용해 과정이 전지를 조기에 손상시킨다.

    전지의 cathode에 일반적으로 사용되는 리튬 금속 산화물뿐만 아니라 이온을 전도하는 이전에 합성된 적이 없었던 황이 풍부한 물질을 처음으로 합성함으로써, ORNL 연구팀은 이런 단점을 극복하였다. 이후 황이 풍부한 새로운 cathode와 리튬 anode를 고체 전해질 물질과 결합하여, 에너지 밀도가 높고 모두 고체로 구성된 전지를 개발하게 되었다.

    액체에서 고체 전해질로의 혁신적인 전환은 황 용해 문제를 해결함으로써 리튬-황 전지의 가능성을 높여 주었다. 이번 전지 설계는 현존하는 리튬 이온 기술과 비교해, 원가를 절감하고 에너지 밀도를 높임과 동시에 안전성도 향상시킨다고 Liang은 밝혔다.

    이 새로운 이온을 전도하는 cathode는 섭씨 60도에서 300회의 방전-충전 사이클을 반복한 후에도 1200mAh/g의 용량을 유지하였다. 비교하자면, 기존의 리튬-이온 전지의 cathode는 평균 140∼170 mAh/g의 용량을 가진다. 리튬-황 전지가 리튬-이온 전지에 비해 절반 정도의 전압과 용량의 8배 증가를 통해, ORNL 전지 cathode는 리튬-이온 전지의 에너지 밀도보다 4배 높은 성능을 나타내었다.

    연구팀의 온전한 고체 설계는, 리튬 금속과 반응할 수 있는 가연성 액체 전해질을 제거함으로써 전지의 안전성을 향상시켰다. ORNL 전지의 다른 장점 중 핵심은 황 원소를 이용한 것인데, 석유화학 공정의 부산물로 많이 생성되는 물질이다. 황은 실질적으로 거의 공짜나 다름없다. 황이 리튬-이온 전지의 cathode에서 사용되는 전이금속 화합물보다 에너지를 훨씬 더 많이 저장할 뿐만 아니라, 리튬-황 전지는 폐기물을 재활용하는 기능도 수행한다.

    비록 연구팀의 새로운 전지는 아직 실험단계이지만, 연구팀은 빠른 실용화를 위해 전지 설계를 특허 출원 중이다.

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