리튬-황 배터리의 발전
새로운 캐소드 디자인으로 견고하고 강력한 에너지 기밀 배터리 제작

향상된 배터리 개념 :
미국 연구원들은 새로운 황-음극 설계로 리튬-황 배터리가 성능과 내구성을 더욱 향상시켰다. 과학자들이 과학 저널 "Science Advances"에 보고한 것처럼 더 두꺼운 황 층에서도 황 전극의 변성을 방지하고 그램 당 1,200 밀리암페어 시간 이상의 전력 밀도가 가능하다. 이로 인해 향후 리튬-황 배터리를 실제로 사용할 수 있다. 

▲  새로운 음극 설계는 더 큰 리튬-황 배터리를 더욱 강력하고 내구성있게 만든다. © 모나쉬 대학교

오늘날 리튬 이온 배터리는 거의 모든 모바일 장치, 전기 자동차 및 기타 여러 배터리 응용 제품에서 볼 수 있다. 그러나 이 배터리에는 몇 가지 약점이 있다. 폭발 할 수 있고, 시간이 지남에 따라 용량이 줄어들고 에너지 밀도도 최적 상태가 아니다. 이는 전기 자동차의 운행거리를 제한한다. 그래서 전 세계의 연구원들이 리튬 이온 배터리에 대한 보다 강력한 대안을 찾고 있다. 후보자는 리튬 금속 배터리, 나트륨 이온 배터리 또는 리튬-황-배터리다.

흑연 대신 황

리튬-황 배터리에서 황과 탄소의 혼합물이 음극으로 사용됩니다.
배터리가 방전되면 양극의 금속 리튬이 황과 반응하고 황화 리튬을 형성하여 전기를 방출한다. 이론적으로 리튬-황 배터리는 거의 최적으로 높은 에너지 밀도를 달성하므로 적은 무게로 전기 자동차의 운행거리를 크게 늘릴 수 있다.

그러나 실제로 이러한 배터리에는 주의할 것이 있다.
시간이 지남에 따라 음극의 구조와 부피가 급격히 변한다. 그 결과, 충전주기마다 배터리 성능이 크게 저하된다. 호주 모나쉬 대학(Monash University)의 마흐도크트 샤이바니Mahdokht Shaibani는 “전극 붕괴의 부작용은 음극 두께가 증가함에 따라 점점 더 뚜렷해지고 있다”고 설명한다. 이러한 이유로 연구원들은 이미 버튼 셀로 오래 지속되는 고성능 리튬-황 배터리를 생산했지만 배터리 수명은 짧다.

최적화된 음극의 미세 구조

Shaibani와 그녀의 팀은 이 스케일링 문제에 대한 해결책을 찾았을 것이다. 그들은 황 음극을 개발했으며, 그 구조는 더 큰 배터리에서도 부피 변화를 최소화한다.
개념의 핵심은 음극에서 황과 탄소를 함께 유지하여 움직임과 미세 구조에 결정적으로 영향을 미치는 나트륨-카르복시 메틸 셀룰로오스 (Na-CMC)로 만든 결합물(바인더)이다.

새로운 리튬-황 배터리를 위해 연구자들은 바인더를 보다 효율적으로 그리고 동시에 양극 재료에 보다 미세하게 분배하는 제조 방법을 개발했다. Shaibani와 동료들은 “이것은 재료들 사이에 기계적으로 강한 브리지 본드를 형성 할 수 있게 해주며 독특한 구조로 음극을 만든다”고 말했다. "이 음극은 반응 표면이 크고 충전 스트레스를 견딜 수 있으며 높은 전기 전도성과 이온 투과성을 가지고 있다."

고효율 및 용량

그러나 이것이 정확히 무엇을 가져올까? 이를 테스트하기 위해 연구진은 새로운 디자인에 따라 황 음극을 구성하고 전기 자동차에 사용되는 것과 같은 유연한 덮개가 있는 더 큰 배터리 인 파우치 셀에 설치했다. 테스트 결과, 이 음극은 그램 당 1,200 밀리암페어 이상의 용량에 도달 한 것으로 나타났으며 이는 기존 리튬 이온 배터리보다 훨씬 더 많은 양이다.

더욱 중요한 것은 리튬-황 배터리는 200회 이상의 충전주기 후에도 전력을 거의 잃지 않는다는 것이다. 과학자들은 “이러한 두께의 황 음극에 대해 이러한 수준의 지속 용량이 달성된 적이 없다. 동시에 음극은 99%의 효율을 달성했다. "우리가 아는 한, 우수한 사이클 안정성과 효율의 조합은 이러한 황 함량이 높은 음극에 고유한 것"이라고 보고 했다.

저렴하고 환경친화적이며 생산하기 쉽다.

연구원들에 따르면, 그들의 제조 방법은 리튬-황 배터리의 스케일링 문제를 해결하고 미래에 높은 에너지 밀도를 실제로 사용할 수 있게 한다. 호주의 연구기관인 CSIRO의 공동 저자 매튜 힐Matthew Hill은 "이러한 접근 방식은 고성능 및 긴 수명의 배터리를 제공 할 뿐만 아니라 제조하기도 쉽고 저렴하다"라고 설명한다.

리튬-황 배터리 생산에는 주로 수성 공정이 사용되며, 이는 환경적으로 유해한 부산물과 폐기물의 양을 크게 줄입니다. 과학자들은 “이 모든 것이 새로운 전극 디자인을 대규모로도 실용화 할 수 있는 유망한 솔루션이다”고 말했다.
(Science Advances, 2019; doi : 10.1126 / sciadv.aay2757)
출처 : 호주 모나쉬 대학교

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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