[차세대전지 시리즈-1] 리튬공기전지(Lithium-air battery) - I

"리튬 공기전지?"

 

차세대배터리로 리튬-공기배터리, 리튬-황배터리, 전고체전지가 있는데요

 

한개씩 차례대로 다루어보고자 합니다! :)

 

리튬공기전지

 

출처 : https://www.mk.co.kr/news/business/view/2012/07/420326/

 

: 말그대로 리튬과 공기를 이용한 전지입니다.

 

음극재로 리튬, 양극재로 공기를 사용하는데 충/방전매커니즘은 리튬이온배터리와 크게 다르지 않습니다.

 

 

https://limitsinx.tistory.com/11

리튬이온 배터리의 충방전 원리(The principle of lithium-ion battery)

 

음극재로 리튬을 사용하는 이유는 리튬이 원소들중 상대전위가 가장 낮기때문입니다.

 

음극은 전위가 낮을수록, 양극은 높을수록 좋습니다. 그 이유는, 전위가 높은 양극과 전위가 낮은 음극의 차이가 바로 배터리의 전위이기 때문이죠

 

예를들면, 양극의 전위가 2.3V, 음극의 전위가 1V면, 배터리 셀 자체의 전위는 (2.3-1)=1.3V 입니다!

 

똑같은 배터리 셀이라면, 이 전위가 클수록 더욱 높은 출력과 에너지를 낼 수 있겠죠??

 

양극재로 산소를 사용하는 이유는 쉽게 구할 수 있기 때문입니다.

 

혹자는 리튬-공기 전지라고하면 마치, 공기를 하나의 소비재처럼 여겨 

 

 

공기만있으면 사용할 수 있는 친환경배터리인가요?"

 

 

라는 질문을 하시는데 그건 "전혀" 아닙니다. (이런식으로 약을파는 유투버들이 있길래..)

 

그냥 양극재(Cathode)로 공기를 쓸 뿐, 공기 그 자체를 소모해가며 배터리를 충방전 하는것은 아니며,

 

리튬이온배터리와 동일하게 양극재에 NCM대신 산소가 들어갈뿐입니다.

 

단지 구하기가 쉬워서 값이 좀 싸고,가벼워서 사용할뿐...(무게가 가벼워 중량당 에너지밀도가 높다는 장점도 있습니다.)

 

출처 : https://m.blog.naver.com/PostView.nhn?blogId=adlibqueen&logNo=220628863511&proxyReferer=https:%2F%2Fwww.google.com%2F

 

원리는

 

 

"충전시에는 양극(Cathode)에 있던 리튬이온이 음극으로 돌아가는것이고

 

방전시에는 음극(Anode)에 있던 리튬들이 이온화되어 양극의 산소로 이동하는 것"

 

입니다.

 

이론상으로는 산소는 값도싸고, 가벼운 원소라 중량당 에너지밀도도 높으며, 전위가 가장낮은 리튬을 음극으로 사용하는

 

이런 장점을 가진 리튬공기전지를 대체 왜 상용화 하지 못하고있을까요?? 

 

출처 : https://biz.chosun.com/site/data/html_dir/2016/02/16/2016021601566.html

 

그 이유는 "이론"과 "현실"의 차이 때문입니다.

 

리튬은 반응성이 아주 높은 원소이며, 산소 또한 마찬가지입니다.

 

방전을 하면 리튬이온이 양극의 산소와 만나 Li2O2라는 peroxide라고 불리는 얇은 막이 양극의 표면에 생기게 되며

 

충전을 하면 이 막을 촉매를 통해 녹여 다시 리튬이온을 음극으로 보내는 원리인데요

 

실제로, peroxide가 100% 완벽하게 화학반응을 통해 만들어지고 용해가 될까요??

 

"절대불가능" 입니다.

 

특히 리튬과 산소는 반응성이 아주 뛰어날뿐더러, 양극재로 산소를 사용할 경우 도전재로 리튬이온배터리와 동일하게 C 혹은 CNT(탄소나노튜브)를 사용하는데

 

이 C도 리튬, 산소와 함께 반응하여

 

 

Li2O2라는 깔끔한 원소로 만들어져야할 peroxide가 Li2CO3라는 끔찍한 변종으로 만들어져서 재충전시 원래대로

 

리튬이온으로 돌아가지 않는 문제가 발생한다는거죠

 

이런 비가역(엄밀하게는 촉매를 통해 제한적인 조건에서 가역)적인 화학적 부반응에 의해 Capacity fading이 너무심하여 실제로 상용화 하기에는 아직 무리가 있습니다.

 

그럼 C를 쓰지않으면 되지않는가?? 라는 질문이 나올 수 있는데요

 

 

유기물(C,탄소계열)은 반드시 사용해주어야 합니다.

 

그 이유는 리튬공기전지는 위에서 설명한바와 같이 방전을 하게되면 양극재에 얇은 '막'(peroxide)가 쌓이게 된다.

 

용량을 최대한 쓰기위해서.. 이 물리적인 '막'을 최대한 넓게 펴발라 표면적을 넓히는 것이 중요한데요,

 

즉, 최대한 넓게 펴발라야 용량을 최대한으로 끌어올릴 수 있는것입니다.

(같은 부피라도 peroxide를 면적이 넓게 펴바르면)

 

그런데 이 작용을 하는것이 바로 'C'입니다. (유기체는 리튬공기전지에 "양날의 검"인 셈이죠)

 

공기전극의 비표면적이 넓게하는데 아주 중요한 재료이기 때문이죠

 

 

다시 정리를 하자면,

 

우리는 두가지 선택권이 있습니다.

 

① C를 쓰지 않는다

② C를 쓰고 Li2CO3를 안생기게 한다.

 

현재 연구는 2번을 메인으로 진행되고 있습니다.

 

즉, 탄소계열 원소에 합금을 둘러싼다던지 하는 방식으로 리튬,산소와 반응이 안일어나도록 하는 연구가 진행되고 있는데, 이또한 양산성에 비용문제가 추가되기에

 

앞으로도 장기간 시간이 걸릴 것으로 예상됩니다.

 

 

(리튬이온배터리의 음극재 탄소에 실리콘을 섞어쓸대도 실리콘 부피팽창을 막기위해 합금으로 둘러싸듯)

 

리튬공기전지를 조금 더 디테일하게는 수계,비수계 전해질 및 과전압특성을 다루어야 하는데

 

해당 글은 리튬공기전지-2 (다음글) 으로 정리를 해보겠습니다!