[관련기사]삼성SDI, 업계 최초 '리튬에어 배터리' 연구개발 착수 - 머니투데이
기사요약
삼성SDI가 연구개발(R&D) 역량 강화를 위한 Li-Air 배터리 연구에 착수했다. Li-Air 배터리는 기존의 리튬이온 배터리에 비해 출력과 효율을 크게 향상시킬 수 있는 잠재력을 가지고 있다. 전지의 원리는 충방전시 리튬과 산화물의 결합과 분해를 통해 에너지를 발생시키는 것이다. Li-Air 배터리에 대한 연구는 아직 초기 단계로 상용화 전에 극복해야 할 과제가 많다. 삼성SDI가 글로벌 주요 전기차·배터리 시장에 연구소를 설립할 계획이다. 그 회사는 또한 전고체, 리튬 황, 리튬 공기 분야의 인력을 늘릴 것이다. 삼성SDI 대표는 해외 연구소 설립이 선진 기술력과 우수한 해외 인력 확보를 위한 것이라고 밝혔다. 글로벌 전기차 연구개발(R&D) 기반 확보를 위한 중국 내 연구소가 올해 설립된다.
리튬 에어 배터리 소개
리튬 에어 배터리(Lithium-air battery)는 리튬 금속을 양극으로 사용하고 공기 중의 산소를 양극으로 사용하는 충전식 전지의 일종이다. 이러한 개념은 수십 년 동안 존재해 왔지만, 최근 배터리 기술의 발전으로 고에너지 밀도 응용을 위한 잠재적 솔루션으로서 리튬 에어 배터리에 대한 관심이 다시 높아지고 있다. 리튬 에어 배터리는 기존의 리튬 이온 배터리에 비해 훨씬 높은 에너지 밀도를 전달할 수 있는 잠재력을 가지고 있어 전기 자동차, 휴대용 전자 장치 및 재생 가능한 에너지 저장 시스템에 사용하기에 매력적인 옵션이다. 그러나 리튬 에어 배터리는 아직 연구개발 단계에 있으며, 낮은 효율, 짧은 사이클 수명, 안정성 문제 등 여러 기술적 과제로 인해 아직 상용화되지 못하고 있다. 이러한 도전에도 불구하고 리튬 에어 배터리는 에너지 저장 산업에 혁명을 일으킬 수 있는 잠재력을 가지고 있어 배터리 과학자와 엔지니어들에게 흥미로운 연구 분야가 될 것이라는 공감대가 커지고 있다.
리튬 에어 배터리의 가능성
리튬 에어 배터리는 기존의 리튬 이온 배터리에 비해 훨씬 높은 에너지 밀도를 전달할 수 있는 잠재력을 가지고 있다. 리튬 에어 배터리의 이론적 에너지 밀도는 기존 리튬 이온 배터리보다 10배 정도 높은 것으로 추정되며, 이는 전기자동차, 신재생 에너지 저장 시스템과 같이 높은 에너지 밀도를 필요로 하는 애플리케이션에 이상적인 솔루션이 될 것이다. 또한, 리튬 에어 배터리는 중금속 산화물을 양극재로 사용할 필요가 없기 때문에 기존의 기존 리튬 이온 배터리에 비해 가볍고 가격이 저렴할 가능성이 있다. 리튬 에어 배터리의 양극은 단순히 공기 중의 산소로 구성되어 있기 때문이다. 이러한 장점들은 재생 에너지 및 전기 자동차 산업이 직면한 에너지 저장 문제에 대한 잠재적인 해결책으로서 리튬 에어 배터리에 대한 새로운 관심으로 이어졌다.
리튬 에어 배터리의 첫 연구
리튬 에어 배터리에 대한 첫 번째 연구는 과학자들이 리튬 금속을 양극으로, 공기 중의 산소를 음극으로 사용하는 개념을 처음으로 탐구하기 시작한 1970년대로 거슬러 올라간다. 그 후, 리튬 에어 배터리에 대한 연구는 효율, 사이클 수명 및 안정성 향상에 중점을 두고 수많은 연구가 진행되고 있다. 이러한 노력에도 불구하고, 리튬 에어 배터리는 아직 연구개발 단계에 있으며, 극복해야 할 몇 가지 기술적 과제로 인해 아직 상용화되지 못하고 있다. 그럼에도 불구하고, 최근 몇 년간 유망한 진전이 있었고, 많은 전문가들은 리튬 에어 배터리가 향후 에너지 저장 산업에서 중요한 역할을 할 것으로 보고 있다.
리튬 에어 배터리의 작동 방식
리튬 에어 배터리는 음극으로 리튬 금속을 사용하고 양극으로 공기 중의 산소를 사용하여 작동한다. 전지가 충전되면 리튬 이온이 음극에서 추출되어 양극으로 이동하고, 여기서 산소와 반응하여 리튬 과산화물을 형성한다. 전지가 방전되면 역반응이 일어나 리튬과산화물은 다시 리튬이온과 산소로 전환된다. 이러한 과정은 배터리의 각 충전 및 방전 사이클 동안 반복된다. 전지의 안정성을 유지하기 위해서는 반응 속도를 제어할 필요가 있는데, 이는 전지 안팎으로 산소의 흐름을 제어함으로써 이루어진다. 또한, 리튬 금속 음극 표면에 형성되어 단락을 일으킬 수 있는 침상 구조인 덴드라이트의 형성을 방지하는 것도 필요하다.
리튬 에어 배터리의 장점
리튬 에어 배터리는 기존 리튬 이온 배터리에 비해 에너지 밀도가 높고, 무게가 가벼우며, 비용이 적게 드는 등 여러 가지 장점이 있다. 리튬 에어 배터리의 에너지 밀도가 높다는 것은 기존 전지에 비해 적은 부피에 더 많은 에너지를 저장할 수 있다는 것을 의미하므로, 전기자동차, 신재생에너지 저장 시스템 등 높은 에너지 밀도를 필요로 하는 애플리케이션에 사용하기에 이상적이다. 또한, 리튬 에어 배터리에서 공기를 양극으로 사용하는 것은 중금속 산화물의 필요성을 제거하여 전지를 더 가볍고 저렴하게 만들 수 있다. 또한, 리튬 에어 배터리는 독성이 있거나 희귀한 물질을 사용할 필요가 없기 때문에 기존 전지에 비해 환경 친화적이다.
리튬 에어 배터리 개발 과제
리튬 에어 배터리가 상용화되기 위해서는 극복해야 할 몇 가지 기술적 과제에 직면해 있다. 리튬 에어 배터리의 전류 효율이 상대적으로 낮기 때문에 전지의 효율을 향상시키는 것이 가장 큰 과제 중의 하나이다. 또한, 리튬 에어 배터리는 사이클 수명이 짧기 때문에 몇 번의 충방전 사이클을 거치면 빠르게 열화된다. 덴드라이트의 형성, 리튬 금속 음극의 반응성, 리튬 과산화물 양극재의 불안정성 등 여러 요인에 기인한다. 리튬 에어 배터리는 반응성이 높고 단락 및 기타 유형의 고장이 발생하기 쉽기 때문에 안정성이 또 다른 과제이다. 마지막으로, 전지의 내외부 산소 흐름을 제어하기 위한 보다 나은 방법의 개발과 더불어 전지의 전반적인 설계를 개선하여 안전하고 신뢰성을 확보할 필요가 있다.
리튬 에어 배터리 연구의 최근 발전
이러한 과제에도 불구하고, 최근 리튬 에어 배터리 연구에서 효율과 안정성을 향상시킨 몇 가지 발전이 있었다. 예를 들어, 연구자들은 보다 안정적이고 열화되기 쉬운 새로운 양극 재료뿐만 아니라, 전지 안팎으로 산소의 흐름을 제어하는 새로운 방법을 개발했다. 또한, 리튬 에어 배터리와 관련된 안전성 및 안정성 문제를 일부 제거할 수 있는 전고체 전지의 사용에 대한 관심이 증가하고 있다.
리튬 에어 배터리의 미래
리튬 에어 배터리는 아직 연구개발 단계에 있으며 아직 상용화되지 않아 미래가 불투명하다. 그러나, 특히 고에너지 밀도 전지에 대한 수요가 지속적으로 증가함에 따라, 리튬 에어 배터리가 에너지 저장 산업에서 중요한 역할을 할 수 있는 잠재력을 가지고 있다는 공감대가 커지고 있다. 이와 같이, 과학자들과 엔지니어들이 남아 있는 기술적 과제를 극복하고 이 흥미로운 신기술을 시장에 내놓기 위해 노력하고 있기 때문에, 리튬 에어 배터리 연구에 대한 투자는 앞으로 몇 년 동안 지속될 것으로 보인다.
결론
리튬 에어 배터리는 에너지 저장 산업에 혁명을 일으킬 가능성이 있는 유망한 신기술이다. 리튬 에어 배터리는 높은 에너지 밀도, 가벼운 무게 및 낮은 비용으로 전기 자동차 및 재생 가능한 에너지 저장 시스템과 같은 고에너지 밀도 애플리케이션에 이상적인 솔루션이 될 가능성이 있다. 그러나, 리튬 에어 배터리의 상용화를 위해서는 효율, 사이클 수명 및 안정성의 향상을 포함하여 아직 극복해야 할 몇 가지 기술적 과제가 남아 있다. 이러한 도전에도 불구하고 리튬 에어 배터리의 미래는 유망하며, 향후 몇 년간 이 분야에 대한 투자가 지속될 것으로 보인다.
