화학공학소재연구정보센터
  • 배터리 전극 용 유리등록일 : 2015/01/16
  • 현재의 리튬 이온 배터리는 훌륭하지만 만약 미래 에너지 시스템이 이 전력에 의존한다면 충분하지 않다. ETH 취리히 화학자들과 재료 과학자들은 이 배터리의 용량과 에너지 밀도를 광범위하게 개선할 것으로 보이는 리튬 이온 배터리 내 전극 물질로 이용될 수 있는 유리의 한 종류를 개발했다.

    한동안 에너지 전문자들은 화석 연료원들을 대체하고 CO2 방출을 줄이려면 향후 훨씬 더 깨끗한 에너지가 필요할 것이라고 단언하고 있다. 예를 들어, 전기차는 도로 상에 주행하는 석유 동력 차량들을 대체할 필요가 있을 것이다. 더 오랫동안 충전된 상태를 유지하기 위해 휴대 전화들이나 더 먼 거리를 여행하려는 전기차들을 위해 더 좋은 배터리와 더 많은 배터리들이 필요할 것이다. 재생 가능 에너지 원들로의 이동에서, 축전지들은 풍력 터빈이나 태양 전력 발전소에서 과잉 전력을 저장하고 에너지 공급에서 변동을 줄이는데 중요한 역할을 할 것이다.

    이 측면에서, 연구원들은 더 많은 에너지 밀도와 충전 용량을 보이지만 현재의 리튬 이온 배터리 내에서 이용되는 물질들에 비해 더 가볍고 작은 새로운 물질들을 열심히 찾고 있다. 오늘날의 배터리들은 스마트폰, 전기차, 노트북 컴퓨터를 위한 신뢰적인 전력 공급을 제공하고 있지만 그들에 대한 증가되는 요구들을 충족시킬 수 없을 것이다. 전기화학 재료 연구원 과학자인 세미 아피온 박사는 배터리 연구를 진행하는 기본적인 아이디어에서 간단히 현재 필요한 것은 안전하고 더 성능이 좋으며 오랫동안 지속할 수 있는 배터리를 얻기 위해 새로운 화학과 새로운 화합물들이라고 설명했다.

    아피온 박사와 화학과 석좌 교수 에인하드 네스페르 박사에 의해 지도된 ETH 연구원들은 최근 이 분야에서 하나의 커다란 진보를 보였다. 다년간의 연구에 걸쳐, 그들은 배터리 용량을 두 배 증가시킬 수 있는 잠재력을 가진 물질인 바나듐산염-붕산염을 개발했다. 연구원들은 네이처 출판사의 저널 사이언티픽 리포트에 최근 보고한 것처럼 음극 물질로 그 유리를 이용하고 있다.

    이 물질은 바나듐 산화물 (V2O5)과 리튬-붕산염 (LiBO2)으로 만들어지고 이 물질의 전극 특성을 향상시키기 위해 환원된 그라파이트 산화물 (RGO)로 코팅되었다. 연구원들은 바나듐이 더 높은 용량에 도달하기 위해 조사될 수 있는 다양한 산화 상태들을 가진 전이 금속이기 때문에 바나듐 기반 화합물질을 이용했다. 결정 형태에서, 바나듐 5산화물은 리튬 철 이산염과 같은 음극에 현재 이용되는 물질보다 세 배인 세 개의 양으로 하전된 리튬 이온들을 가질 수 있다.

    그러나, 결정 바나듐 5산화물은 삽입된 Li 이온들 모두를 방출할 수 없으며 단지 수 번의 안정한 충전/방전 주기들만을 허용한다. 이는 일단 리튬 이온들이 로딩 과정 동안 결정 격자로 침투하면 격자가 확장되기 때문이다. 따라서 하나의 전극 입자가 전체, 즉 일단 전하들이 이 입자를 떠나면 다시 수축되기 위해 부피가 증가하여 팽창한다. 이 과정은 구조 변화와 접촉 손실의 측면에서 전극 물질에서 비안정성을 유도할 수 있다.

    그러므로 연구원들은 용량을 최대화하고 전하들을 얻는 능력을 유지하는 초기 물질의 구조를 유지하는 방법을 찾아야 했다. 이는 결정 형태 내에서보다 유리로 바나듐을 이용하는 아이디어를 어떻게 고안했는지 알려준다. 소위 비정질 물질인 유리에서 원자들은 물질이 결정 상태처럼 규칙적인 격자로 물질 자체를 배열하지 않는다. 대신 이 원자들은 매우 무질서한 상태로 존재한다.

    음극 물질을 제조하기 위해, 연구원들은 붕산염 화합물들을 분말 상태인 바나듐 5산화물과 섞었다. 붕산염은 유리 형상이며 이것이 왜 붕산염 화합물들이 이용된 이유이며 이에 따른 유리 화합물은 V2O5나 LiBO2가 아닌 새로운 종류의 물질이라고 연구원들이 전했다. 재료 과학자들은 900 도씨에서 이 분말이 녹으며 유리를 형성하도록 가능한 빨리 이 녹은 물질을 냉각했다. 이에 따른 종이 두께 시트들은 분말이 표면적을 증가시키고 구멍 공간을 만들어 이용 전 분말로 부서진다. 바나듐산염-붕산염 유리의 주된 장점은 제조하는데 간단하고 저가라는 것이다. 이는 산업 응용을 찾는 기회가 늘어날 것으로 기대된다.

    효율적인 전극을 제조하기 위해, 연구원들은 환원된 그라파이트 산화물 (RGO)을 이용하여 바나듐산염-붕산염을 코팅했다. 이는 전극 입자들을 보호하는 동시에 전도성을 증가시킨다. 그러나, 전자와 리튬 이온들이 이 전극들을 통해 이용되므로 전자들과 리튬 이온들을 방해하지 않는다.

    아피온 박사는 수 많은 충전/방전 주기들을 수행하기 위해 동전 전지 배터리를 위한 프로토타입인 배터리 음극에 바나듐산염-붕산염 유리 분말을 이용했다.

    RGO를 가지고 만들지 않은 바나듐산염-붕산염 전극들을 이용한 초기 시도들 동안 전류비가 그램당 400밀리암페어로 증가될 때 방전 용량은 30 충전/방전 주기 이후 급격하게 떨어졌다. 이에 비해, RGO 코팅이 이용될 때, 용량은 높은 비율에서 꽤 안정하며 100 충전/방전 주기 이상 후 일정하게 높은 수준으로 유지된다.

    RGO 코팅된 바나듐산염-붕산염 유리 전극을 가진 배터리는 킬로그램당 1000 와트-시 근처의 에너지 밀도를 보였다. 이는 300 mAh/g를 훨씬 초과한 방전 용량을 얻었지만 충전/방전 주기의 과정에 걸쳐 떨어졌다.

    이는 현재의 리튬 이온 배터리에 비해 1.5에서 2 배 더 길게 휴대폰에 전력을 공급할 수 있는 충분한 에너지를 가진다. 또한 이는 표준적인 양에 1.5 배까지 전기차의 이동영역을 증가시키는 것이다. 이는 아직 이론적인 수치이다.

    연구원들은 이미 새로운 물질을 위해 특허를 신청했다. 또한 그들은 개발을 위해 산업 파트너와 작업했다. 현재 연구방향은 실용적인 응용들과 기본적인 연구를 동시에 추진했다고 연구원이 말했다. 새로운 개념은 시장에 발판을 얻기 위해 일반적으로 약 10내지 20년 걸린다.

    바나듐산염-붕산염 유리에 대한 연구원의 긍정적인 결과들은 이 분야에서 그들을 연구를 지속하도록 힘을 실어주었다. 아피온 박사는 현재 개혁적인 고체 상태 배터리를 개발하는데 집중된 전기화학 재료 교수인 제니퍼 러프 박사가 지도하는 연구 컨소시엄에서 프로젝트 리더로 일하고 있다. 그들은 이미 이 시스템에서 바나듐산염-붕산염 전극을 이용하고 시험하고 있으며 다음 단계는 이 시스템을 최적화하는 것이다. 특히, 그들은 환원된 그라파이트 산화물에 비해 다른 코팅들을 이용하고 배터리와 전극 디자인을 개선하여 얻을 수 있는 충전/방전 주기의 수를 증가시켜야 한다.

    현재의 리튬 이온 배터리는 음극과 양극, 두 전극들로 구성된다. 양극은 그라파이트로 자주 만들어지며 음극은 코발트 산화물 등 금속 산화물들이다. 리듐 이온들은 충전이나 방전 과정 동안 이런 물질들 내로 들어간다. 두 전극들은 두 전극들 사이 이동하는 전자가 아닌 리튬 이온들만 침투할 수 있는 벽으로 분리된다. 배터리의 방전 동안, 리튬 이온들은 양극에서 음극으로 이동한다. 전자들에 통과하지 못하므로 그들은 이에 따른 전자 플럭스에 의해 전력화되는 전자 소자를 통해 우회한다. 전자들과 이온들은 음극에서 다시 만난다. 배터리가 충전되고 있을 때, 이온들과 전자들은 반대 방향으로 흐르도록 강요된다. 효과적이고 오랫동안 작동하는 배터리를 위해 이온들은 전극 물질 안과 밖으로 쉽게 움직일 필요가 있다. 전극 물질의 모양과 크기는 이온의 반복되는 흡수와 방출에 걸쳐 거의 변하지 말아야 한다.

    그림 설명: 이 새로운 물질은 리튬 이온 배터리의 용량을 거의 두 배 증가시킬 수 있다.: 바나듐산염-붕산염 유리

    참고 자료: Afyon S, Krumeich F, Mensing C, Borgschulte A, Nesper R (2014): New High Capacity Cathode Materials for Rechargeable Li-ion Batteries: Vanadate-Borate Glasses.Scientific Reports 4, Article number: 7113. DOI: 10.1038/srep07113
  • 키워드 : 배터리, 바나듐산염, 붕산염, 유리, 전극, 리튬이온
  • 출처 : KISTI 미리안 글로벌동향브리핑