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리튬 이온 배터리 디자인에 대한 ....

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미국 스탠퍼드 대학 소속의 연구진은 새로운 리튬 이온 배터리 디자인(lithium-ion battery design)에 대한 사회적 통념이 틀렸다는 것을 입증하여 보다 더 많은 동력 및 용량, 신속한 충전 및 방전 용량 등을 가진 저장 장치를 지향할 수 있는 방안을 제시했다. 

재료공학부 조교수인 William Chueh가 주도하는 연구팀은 이전에 두 번째로 중요하게 간주됐던 재료가 실제로 전반적인 배터리 성능에 얼마나 중요한지를 설명했으며, 보다 우수한 배터리에 대한 새로운 디자인 규칙을 고안했다. 

석사 과정 학생 Yiyang Li와 학부 학생인 Sophie Meyer가 주도하는 연구팀은 20년 이상 배터리 디자이너에 의해 공유되어온 가정이 틀렸다는 것을 입증하는 실험을 고안했다. 리튬 이온 배터리는 기능을 위해 카본 블랙(carbon black)이라고 불리는 물질을 필요로 하는 반면, 카본 블랙 재료의 정밀한 양은 전체적인 성능에 중요하다고 고려되지 않았다. 이 연구는 이러한 사실이 틀렸다는 것을 증명했다고 Meyer는 밝혔다. 

Meyer는 X-선을 이용한 개선된 관찰과 스크래치로부터 배터리의 핵심적인 구축을 포함하는 2년에 걸친 실험을 수행했으며, 이러한 실험의 감독은 박사 과정 학생인 Li가 담당했다. Li는 이 실험이 오랫동안 논쟁을 거듭해온 문제를 해결했다고 밝혔다. 

리튬 이온 배터리는 랩톱, 태블릿 컴퓨터, 전기 자동차 및 20년 이상 동안 운영되는 재생 에너지 시스템 등에 일반적으로 사용되어 왔다. 이러한 배터리는 전형적으로 배터리를 충전할 수 있게 하는 행동인 전자가 흐르는 음극 입자(cathode particles)를 함유하고 있다. 

이러한 음극 입자는 일반적으로 특정 석유 제품의 불완전 연소로부터 얻어지는 불활성 재료인 카본 블랙과 함께 혼합되어 있는 리튬철인산염(lithium iron phosphate) 또는 리튬코발트산화물(lithium cobalt oxide)로 구성되어 있다. 연구팀이 수행한 연구 이전에, 카본 블랙 나노입자(carbon black nanoparticles)의 양과 수치는 배터리의 기능에 특별하게 중요하게 고려되지 않았다. 

리튬 이온 배터리에 대한 산업 표준은 저탄소 모델이며, 이는 중량 당 전체 재료의 5%를 의미한다고 Meyer는 밝혔다. 그러나 연구진은 신속하고 효율적인 충전과 방전을 확보하는데 충분하지 않다는 사실을 발견했다. 궁극적으로 음극 입자 전하의 비율은 배터리 내에서 상당히 변하는 카본 블랙 입자가 얼마나 잘 연결되어 있는가에 좌우된다. 

Li는 카본 블랙의 퍼센트를 증가시킴으로써(일부 실험에서는 20%까지 증가시켜서), 보다 더 균일한 탄소 연결성(carbon connectivity) 때문에, 음극 입자가 더 신속하게 하전된다는 것을 확인할 수 있었다. 

그러나 트레이드오프는 있었다. 카본 블랙의 퍼센트를 증가시키는 것은 전하를 보유하는 데 이용할 수 있는 음극 입자의 양을 감소시켰다. 따라서 비록 배터리가 보다 더 높은 함량의 카본 블랙을 가진다고 할지라도, 카본 블랙 함량은 훨씬 더 빠르게 충전될 것이며, 또한 더 적은 음극 입자가 전하를 보유하기 때문에 더 적은 에너지를 가진다. 이 연구는 가장 우수한 재료와 최적의 균형에 대한 규명이라고 Li는 밝혔다. 

고분해능 X-선 현미경이 LiFePO4 다공성 전극에서 리튬 치환 반응(lithiation)의 순차적인 순서를 조사하는데 사용됐다. 카본 블랙 네트워크를 통하여 균일한 입자간 전기 연결성을 가지는 전극을 위하여, 더 작은 입자가 먼저 리튬 치환 반응을 일으킨다. 여러 종류로 이루어진 연결성(heterogeneous connectivity)을 가진 전극을 위하여, 보다 더 우수하게 연결된 입자가 리튬 치환 반응을 선호한다. 또 상관관계 전자 및 X-선 현미경(Correlative electron and X-ray microscopy)이 마치 나노도메인이 입자를 분리하는 것처럼 리튬 치환 반응을 일으키는 비간섭성 나노도메인(incoherent nanodomain)의 존재를 규명했다. 

이러한 연구의 결과는 배터리 디자인을 추가로 최적화하는데 가능한 미래 실험을 구축하는데 도움을 줄 것이다. 그러나 이러한 연구는 연구팀의 노력이 없었다면 가능하지 않을 수 있다고 Chueh는 강조했다. Li와 Meyer는 지난 2년에 걸쳐 카본 블랙의 다른 농도를 가지는 수많은 배터리를 제작하기 위하여 동료 연구팀과 함께 연구했다고 Chueh는 밝혔다. 각 배터리는 조성과 성능이 분석되어야만 한다. 무엇보다도 로렌스 버클리 국립 연구소의 싱크로트론(개선된 광원)을 통하여 얻어진 배터리 재료의 나노미터 규모의 이미지에 대한 평가를 필요로 한다. 

사용될 고분자 바인더에 리튬철인산염에 대한 카본 블랙의 비율, 배터리에 첨가하는 순서, 혼합은 어떻게 하는지, 혼합하는 온도는 얼마인지, 얼마나 오래 슬러리를 혼합하는지 및 기타 변수 등에 따라 배터리를 어떻게 만들 것인지 등을 연구진이 규명할 필요가 있다.

출처 KISTI 미리안 글로벌동향브리핑

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