리튬 금속 배터리 개발, 기록 경신 "1천회 충전 주기에도 저장 용량 88% 유지"

문광주 기자 / 기사승인 : 2021-08-17 14:38:00
  • -
  • +
  • 인쇄
3'50" 읽기
* 킬로그램당 560와트시의 높은 에너지 밀도와 우수한 안정성을 결합
* 저 코발트 니켈이 풍부한 필름 음극(NCM88)과 금속 리튬으로 만든 박막 양극을 사용
* 새로운 전해질, 니켈이 풍부한 음극의 구조적 변화를 크게 줄일 수 있다.
* 리튬 금속 배터리의 저장 용량은 처음에 그램당 214mAh, 쿨롱 효율은 평균 99.94%

'기록 경신' 리튬 금속 배터리 개발
양극과 전해질의 새로운 조합, 배터리의 에너지 기밀성과 안정성을 동시에 제공


더 나은 배터리로 가는 길:
과학자들은 킬로그램당 560와트시의 높은 에너지 밀도와 우수한 안정성을 결합한 새로운 리튬 금속 배터리를 개발했다. 이러한 배터리의 많은 이전 형태와 달리 음극과 새로운 유형의 전해질의 특별한 조합은 향상된 내구성을 보장한다. 연구팀이 전문 잡지 "Joule"에 보고한 바와 같이 1천 번 이상의 충전 주기에도 배터리의 저장 용량이 거의 손실되지 않는다. 

▲ 음극과 전해질의 유망한 조합으로 HIU의 연구원들은 매우 높은 에너지 밀도를 가능하게 만들었다.

(Foto:Amadeus Bramsiepe-KIT)


리튬 이온 배터리는 현대 기술의 "일꾼"이지만 전기 이동성과 같이 특히 에너지가 많이 필요한 응용 분야에 제한된 정도로만 적합하다. 에너지 밀도가 전기 자동차에 훨씬 더 많은 범위와 더 낮은 무게를 제공하기에 충분하지 않기 때문이다. 따라서 리튬 금속 배터리가 대안이 될 수 있다. 흑연 대신 금속 리튬으로 만들어진 양극이 있는 이 배터리는 에너지 밀도가 2배다.

문제는 리튬 금속 배터리가 지금까지 거의 충전되지 않았다는 것이다.
몇 번의 충전 사이클 후에 금속 리튬이 바늘 모양의 팁 형태로 양극에 증착된다.
리튬 조각을 깨는 것은 전해질에 비활성 막힘을 형성할 수도 있다. 이와 병행해 분리막에 구멍을 찢는 침전물이 형성된다. 이를 방지하기 위한 접근 방식은 니켈이 풍부한 음극을 도핑하고 새로운 유형의 전해질을 사용하는 분리막을 위한 특수 보호층이다.

에너지 밀도가 높지만 깨지기 쉬운

Helmholtz Institute Ulm(HIU)의 팡린 우(Fanglin Wu)와 동료들은 최근 이러한 솔루션의 조합을 개발했다. 새로운 리튬 금속 배터리를 위해 저코발트 니켈이 풍부한 필름 음극(NCM88)과 금속 리튬으로 만든 박막 양극을 사용했다. 이 조합은 높은 에너지 밀도를 달성하지만 음극이 일반적인 전해질과 반응할 때 매우 빠르게 균열이 발생하기 때문에 불안정하다.

"전해질은 이러한 균열 내에서 반응하여 구조를 파괴한다"고 HIU의 수석 저자인 스테파노 파세리니(Stefano Passerini)가 말했다. "게다가 양극 위에 이끼 같은 두꺼운 리튬 함유층이 형성된다." 지금까지 이 배터리를 한 번 이상의 충전 주기로 효율적으로 사용하는 것은 불가능했다.

음극을 보호하는 새로운 전해질

이를 피하기 위해 연구원들은 이러한 구성 요소를 새로운 전해질과 결합했다.
이것은 이미드라고 하는 두 개의 음으로 하전된 유기 화합물이 전하 수송체의 역할을 하는 비휘발성, 불연성 액체 전해질이다. "이 전해질의 도움으로 니켈이 풍부한 음극의 구조적 변화를 크게 줄일 수 있다"고 공동 저자인 HIU의 김국태가 보고했다.

더 자세한 분석은 새로운 전해질이 배터리에 사용될 때 음극과의 경계에 보호층을 형성하는 것으로 나타났다. "이 층은 전해질과의 파괴적인 반응으로부터 음극을 보호하여 표면에 있는 육각형 결정 격자의 비가역적인 상 변형을 방지한다"고 Wu와 그의 동료들은 설명했다. 동시에 이 층은 미세 균열이 더 퍼지지 않도록 한다.
▲ 이온성 액체 전해질 ILE(오른쪽)를 사용하면 니켈이 풍부한 음극 NCM88의 구조적 변화를 최소한으로 피할 수 있다. 배터리 용량은 1000번의 충전 주기 동안 88% 유지된다. (출처: Fanglin Wu & Dr.Matthias Kuenzel, KIT/HIU)

1000회 충전 후에도 여전히 안정적

동일한 설계의 전지를 사용하지만 일반적인 유기 전해질을 사용한 비교 테스트에서 과학자들은 이 전기화학이 리튬 금속 배터리의 성능과 안정성에 영향을 미치는지 방법을 조사했다.

결과: 예상대로 일반 전해질로 용량이 크게 감소했다. 각 사이클에서 배터리는 0.63mV(밀리볼트)를 덜 방출했다.

새로운 전해질과의 조합에서는 다르다.
팀 보고서에 따르면 충전 및 방전 중에 전압이 거의 안정적으로 유지됐다.
이 리튬 금속 배터리의 저장 용량은 처음에 그램당 214mAh였으며 1천 회의 충전 주기 후에도 88%로 떨어졌다. 인출 용량과 공급 용량의 비율을 나타내는 쿨롱 효율도 평균 99.94%였다.

전반적으로 최적화된 음극과 새로운 전해질 덕분에 리튬 금속 전지는 킬로그램당 560와트시(Wh/kg)의 에너지 밀도를 달성했다. 향상된 안정성과 함께 이를 통해 미래의 리튬 금속 배터리가 훨씬 더 가까워질 수 있다.
(Joule, 2021; doi: 10.1016 / j.joule.2021.06.014)
출처: KIT (Karlsruher Institut für Technologie)

[더사이언스플러스=문광주 기자]

[저작권자ⓒ the SCIENCE plus. 무단전재-재배포 금지]

  • 글자크기
  • +
  • -
  • 인쇄
뉴스댓글 >

주요기사

+

많이 본 기사

Basic Science

+

Technology

+

Photos

+