리튬이온배터리에 리튬이 없다?

리튬이온배터리에 리튬이 없다?

대학생신재생에너지기자단 22기 정의희

 

[서론]

[자료 1. 붕어빵]

출처 : 한국일보

여름이 지나가고 곧 다가오는 겨울. 쌀쌀한 바람이 부는 겨울에는 길거리에서 쉽게 추억의 간식인 붕어빵을 맛볼 수 있다. 우리는 모두 붕어빵에는 실제로 붕어가 들어가지 않는다는 걸 안다. 이처럼 리튬이온배터리에도 실제로 리튬이 들어가지 않는다. 정확하게 말하자면 현재 상용화된 리튬이온배터리에는 ‘리튬 이온’은 들어가나 ‘리튬 메탈’이 들어가지 않는다. 그 이유를 알기 위해서는 첫 번째로 리튬이온배터리의 구조를 알아야 한다.

 

[자료 2. 리튬이온배터리 구조]

출처 : 삼성 SDI

리튬이온배터리는 크게 양극, 음극, 분리막, 전해질로 구성된다. 전기에너지와 화학에너지의 source를 리튬이온으로 정하고, 리튬이온이 양극과 음극 사이를 움직이면서 충·방전이 되는 시스템이다. 리튬이온의 이름은 단순히 전지 내부에 리튬이 이온 상태로 존재하기 때문인데, 보통 양극이 리튬 삼원계 화합물(NCM, NCA, LFP) 형태로 쓰이고, 음극은 흑연이나 흑연과 실리콘 복합체를 사용하기도 한다. 이 시스템은 우리가 아는 것처럼 액체 전해질을 주로 사용하고, 현재 상용화된 시스템이다.

여기서 주목할 점은 상용화된 리튬이온배터리는 대체로 음극을 흑연으로 사용한다는 것이다. 하지만 음극으로 사용되는 흑연은 매우 낮은 에너지 밀도를 가지고 있다. 반면에 리튬 메탈은 높은 에너지 밀도로 최상의 음극 소재이다. 이론적으로 흑연으로 쓰는 음극보다 10배 더 높은 성능을 구현할 수 있다. 그렇다면 상용화된 리튬이온배터리는 어떠한 이유로 리튬 메탈이 아닌 흑연을 음극으로 사용할까?

[자료 3. 음극 에너지밀도]

출처 : nature

 

[본론]

 

그 이유는 ‘리튬의 덴드라이트 현상’ 때문이다.

덴드라이트는 리튬이온배터리 충전 과정에서 리튬 이온이 음극 표면에 나뭇가지 형태로 쌓이면서 나타나는 결정체이다. 다른 용어로는 ‘수지상 결정’이라고 한다. 덴드라이트 현상은 리튬이온배터리의 수명과 안전성을 떨어뜨리는 주요 원인으로 꼽히고 있다. 배터리 내부의 전극 표면에 덴드라이트가 형성되기 시작하면 양극과 음극을 활발히 오가야 하는 리튬이온의 이동이 원활하지 못하게 되어, 배터리의 에너지 효율이 떨어지고, 수명 저하로 이어질 수 있다. 또한, 덴드라이트가 자라나며 그 크기가 계속 커질 경우 배터리의 핵심 소재인 ‘분리막’까지 손상될 수 있다. 분리막은 절연 소재로 이루어진 얇은 막으로, 양극과 음극이 서로 만나지 못하도록 차단하는 역할을 한다. 분리막이 손상되면, 양극과 음극이 직접 맞닿게 되면서 내부 단락을 일으키고 저항이 생길 수 있다.

[자료 4. 리튬 덴드라이트]

출처 : nature

하지만 흑연을 음극으로 사용 시 이러한 덴드라이트 생성을 억제할 수 있기 때문에 현재 상용화된 리튬이온배터리는 ‘흑연’을 음극 소재로 채택하여 사용하고 있다. 그렇다면 배터리 음극재의 끝판왕인 ‘리튬 메탈’을 포기해야 하는 것일까?

국내외 연구진은 차세대 배터리로 리튬 메탈을 음극재로 사용하는 ‘리튬메탈배터리’를 연구하고 있다. 리튬메탈배터리의 상용화를 위한 과제는 리튬의 덴드라이트 현상을 억제해 배터리의 내구성과 안정성을 향상하는 것이다. 음극재로 흑연 대신 리튬을 쓰는 리튬메탈배터리가 출시된다면 기존 배터리에 비해 이론적으로 10배 큰 용량을 구현할 수 있다.

[자료 5. 음극재 흑연 구조]

출처 : nature

한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진)은 전북분원 복합소재기술연구소 탄소융합소재연구센터 이성호 센터장 연구팀이 광주과학기술원(GIST) 엄광섭 교수팀과 함께 탄소섬유 페이퍼를 음극 소재로 사용해 리튬 메탈 전지의 내구성을 3배 이상 향상시키는 기술을 개발했다.

연구진은 리튬 메탈을 코팅한 구리 박막을 리튬 메탈이 함유된 얇은 탄소섬유 페이퍼로 대체했다. 이 탄소섬유 페이퍼는 탄소 단섬유 위에 무기 나노입자인 비결정질 탄소와 탄산나트륨으로 표면처리를 해서 만들었다. 이러한 처리를 통해 리튬 친화적 특성을 갖는 동시에 리튬 수지상 결정이 뾰족하게 성장하지 못하게 했다.

[자료 6. 리튬메탈배터리의 내구성 향상]

출처 : KIST

탄소섬유 페이퍼 음극 소재를 사용한 결과, 구리 박막을 쓴 전지보다 내구성이 3배 이상 높은 리튬 메탈 전지를 제조했다고 연구진은 밝혔다. 구리 박막은 약 100회의 충·방전 사이클 이후 단락이 일어났지만, 새로 개발한 탄소섬유 페이퍼는 300사이클 이상에서도 안정적 성능을 보였다.

또한 에너지 밀도는 428Wh/kg으로, 구리 박막을 사용하는 리튬 메탈 전지의 240Wh/kg에 비해 약 1.8배 늘었다. 녹은 리튬은 탄소섬유 페이퍼에 빠른 시간 내에 흡수되는 특성을 보여 전극 제조공정도 단순화할 수 있을 전망이다.

 

[결론]

 

[자료 7. 차세대배터리]

출처 : 서울경제

리튬이온배터리를 이을 차세대 배터리 연구는 리튬메탈배터리를 포함하여 끊임없이 이어지고 있다. 전고체전지, 리튬황전지, 리튬메탈전지, 나트륨이온전지 등 기존 배터리의 한계를 극복하기 위한 다방면의 도전이 멈추지 않고 있다. 이러한 노력이 결국 최고의 효율을 내는 배터리에 도달할 것이며, 현재 리튬이온배터리의 용량을 10배 능가하는 배터리도 곧 만날 수 있을 것이다.

 

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1. "무음극 배터리, 음극재가 배터리에 없을 수 있다고?", 23기 신지연, https://renewableenergyfollowers.org/4120

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2. "차세대 배터리 기술, CTP(Cell to Pack)에 대해 아시나요?", 21기 곽서영, https://renewableenergyfollowers.org/4145

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참고문헌

[서론]

1) 삼성SDI, "리튬이온 배터리의 4대 요소", 2018.01.18., https://www.samsungsdi.co.kr/column/all/detail/55269.html

2) J.M. Tarascon, “Issues and challenges facing rechargeable lithium batteries”, Nature, 414, 359-367, 2001.

[본론]

1) J.M. Tarascon, “Issues and challenges facing rechargeable lithium batteries”, Nature, 414, 359-367, 2001.

2) 한세희, "리튬메탈 전지 내구성 3배 높인다...오래 가는 전기차 핵심 기술", ZDNET Korea, 2023.02.28., https://zdnet.co.kr/view/?no=20230227102837 

[결론]

1) 고광본, "리튬이온 발화논란... 전고체 등 차세대배터리 키워야", 서울경제, 2022.10.20., https://www.sedaily.com/NewsView/26CETL2ION