리튬이온전지가 무엇이기에 주변에 자주 보이는 걸까?

 리튬이온전지가 무엇이기에 주변에 자주 보이는 걸까? 

 

 휴대폰의 소형화, 테슬라의 전기자동차 개발, 신재생에너지를 이용한 발전 등에 따라 배터리의 소형화와 동시에 높은 충전용량이 요구되고 있다. 전기자동차는 높은 충·방전 효율이 요구되며, 신재생에너지를 이용한 발전은 전력수급이 불안정하기에 배터리에 전력을 저장할 필요성이 있다. 배터리 저장기술이 향상되면 신재생에너지 발전 비용이 더욱 효율적으로 될 것이다.

 여기서 전력을 저장하기 위해 쓰이는 장치는 이차 전지(secondary cell)이다. 이차 전지는 충·방전이 여러 번 가능하기에 한 번 쓰고 버리는 일차 전지에 비해 경제적인 이점과 환경적인 이점을 둘 다 갖는다. 여러 이차전지가 개발되었지만 우리 주변에 흔히 보이는 리튬이온전지의 초기 모델 등 전반적인 것들에 대해 알아보았다.

 

리튬이온전지의 초기 개발

 1981년, 일본 과학자, ‘아사히화성 요시노 아키라’가 전지 개발을 하는 중에 계속 사용하던 금속 리튬 대신 폴리아세틸렌(PA)을 음극으로 사용했으나 양극에 사용할 재료를 찾지 못하고 있었다.

 1980년, Oxford 대학교수 ‘Good enough’의 “LixCoO2 (0<x<-1): A new cathode material for batteries of high energy density” 연구 자료에서 LiCoO2 화합물이 2차전지의 양극이 된다는 내용을 담았다. 이 연구를 알게 된 ‘아사히화성 요시노 아키라‘는 음극에 폴리아세틸렌(PA)을 넣고 양극에 LiCoO2 화합물을 넣어 리튬이온전지 개발에 성공하고 처음으로 리튬이온전지에 대한 첫 특허를 등록하게 된다.

[그림1. 리튬 이온 배터리 충·방전 도식]

출처 : Wikipedia

 

 

급속도로 성장한 신형차전지, 리튬이온전지

 초기에 리튬이온전지가 개발된 후, 물이 아닌 유기용매에 이온을 녹인 전해액에 탄소를 (-)로 LiCoO2를 (+)로 사용한 전지가 사용하게 되었다. 기상 성장법 탄소 섬유(Vapor phase Grown Carbon Fiber : VGCF)라는 방법을 사용해 결정성이 뛰어난 특수구조를 만들어 전지 특성이 좋아져 탄소/LiCoO2 조합의 리튬이온전지가 탄생하여 2차전지의 경량화, 소형화가 가능해졌다.

*기상 성장법 탄소 섬유(Vapor phase Grown Carbon Fiber : VGCF)

1) 가스를 기상으로 탄화시켜 Carbon Fiber를 기판 위에 성장시킨 뒤 2) 니켈계 촉매를 섞은 벤젠, 톨루엔과 같은 방향족 화합물을 기화하고, 3) 1000℃ 전후의 온도로 설정한 로에 통과시키고 4) 로의 벽면에 섬유직경이 수μm 정도의 미세한 Carbon Fiber가 머리카락처럼 성장시키는 방법.

 

리튬이온전지의 강점과 약점

 물을 전해액으로 쓰는 수계 전해액 전지로 니켈-카드뮴, 니켈-수소 전지 등이 있으나 물의 전기분해 전압(1.2~1.5V) 이상이 되면 물이 전기분해 되기 때문에 기전력을 높일 수가 없으나, 유기용매를 이용하는 비수계 전해액 전지는 그 이상으로 전압을 높일 수 있다. 이로써 리튬이온전지는 다른 전지들에 비해 에너지 밀도가 상당히 크며, 기전력이 4.2V로 꽤 높일 수 있다.

 그러나 리튬이온전지는 충전과 방전을 반복하게 되면 충전효율이 떨어진다. 아래 그래프의 빨간색 기준으로 DOD가 100% 일 때 충·방전을 2200회 정도 하면 배터리 성능이 80%로 떨어진다. 전기차 배터리의 경우 원래 성능의 80% 아래로 떨어지면 수명이 다한 것으로 본다. DOD 이외에 배터리 수명에 영향을 주는 온도, 부하 등을 고려해 자동차 회사들은 15만km 정도를 보증한다.

 

 

[그래프 1. 리튬이온배터리의 충·방전 수명]

출처 : Clean Technica

 

리튬이온전지는 앞으로도 계속해서 쓰일까?

 충·방전 수명이 짧은 단점에도 불구하고 업계에서 리튬이온전지에 초점을 두는 이유는 상대적으로 위험이 낮고 점진적인 향상을 기대할 가능성이 높기 때문이다.

 발전 가능성이 높은 리튬이온전지 이외에도 다른 방식으로 전하를 저장하는 전지가 있다. 최근 연구소에서는 리튬이온전지에 비해 많은 충·방전 사이클과 높은 전력 전달을 가진 슈퍼커패시터(Super capacitor)의 연구가 활발하다. 슈퍼커패시터는 리튬이온전지의 메커니즘과 달라서 수명이 길고 순간적으로 전력전달을 할 수 있지만, 에너지 밀도가 낮아 전력을 많이 저장할 수 없다. 재료와 전하 저장 메커니즘에 따라 크게 3종류로 나눠 연구되고 있다.

 

 

[그림 2. EDLC, Pseudo-capacitor의 메커니즘] [그림 3. hybrid capacitor의 메커니즘]

출처 : 그림 2. ResearchGate / 그림 3. Eliron company

 

 표면적이 큰 탄소를 전극으로 해서 표면에 이온을 흡착하는 EDLC(Electrochemical Double Layer Capacitor), 금속산화물 또는 전도성 폴리머를 전극으로 해서 산화 환원 반응으로 전하를 저장하는 Pseudo-capacitor(=redox supercapacitor), 기존 커패시터 또는 Pseudo-capacitor 전극을 결합해 단점을 보완한 Hybrid capacitor가 활발히 연구되고 있다.

 얼마 전, 성균관대 박호석 교수팀에서 고용량의 철 산화물 나노입자를 3차원 탄소나노튜브 네트워크에 고정한 전극 소재를 개발해 충전 속도를 20배 빠르게 해도 충전 용량을 70% 이상 유지할 수 있도록 하였다.

 이처럼 리튬이온전지도 성능 개선에 연구가 활발해 계속해서 시장을 이끌어가겠으나, 슈퍼커패시터의 성능 개선 또한 활발히 이루어지고 있다. 향후에 슈퍼커패시터가 리튬이온전지의 시장을 뛰어넘을지는 모르는 일이다.

 

 

참고 :

충남대학교출판문화원, “리튬이온전지 이야기”, Akira Yoshino(저자), 김성수(역자)

SK encar 미디어, “5년 뒤 교체? 전기차 배터리의 수명은 얼마나 될까요?”, 박영문기자, 2017

CIO korea, “5배 용량의 5배 저렴한 배터리를 5년 내 개발' 리튬이온 대체 프로젝트”, 2013

연합뉴스, “리튬이온전지 충전 속도 20배 향상...새 전극소재 개발” 2017