[GT] 리튬 이온 배터리의 진화
최근 「Nature Energy」에서 발표된 바와 같이, 리튬 이온 배터...


    • 어떤 신기술이 세상을 극적으로 변화시킬까? 세계 최고의 연구소에서 나오는 놀라운 혁신을 독점 소개합니다.


    최근 「Nature Energy」에서 발표된 바와 같이, 리튬 이온 배터리의 집전장치(current collector)에 폴리머와 내화재를 추가하면 배터리가 더 가볍고 안전해짐과 동시에 효율은 20% 상승하는 것으로 나타났다.

     

    스탠포드 대학과 미국 에너지부 소속 과학자들은 집전장치로 알려진 구리 또는 알루미늄 호일 시트 중 하나를 재설계했는데, 무게는 80% 더 가볍고, 발생하는 화재도 즉각 처리되는 것을 확인했다. 이 기술은 배터리 연구의 두 가지 주요 목표를 해결할 수 있다. 전기 자동차의 주행 범위를 확대하고 노트북, 휴대폰 및 기타 장치가 폭발할 위험을 줄이는 것이다. 후자는 특히 더 중요한데 초고속으로 충전될 때 배터리에 손상이 발생해 화재를 일으킬 수 있기 때문이다.

     

    집전장치는 변화가 거의 없는 무게, 즉 데드 웨이트(dead weight, 사하중)로 항상 인식되어 왔고, 지금까지 배터리 성능을 향상시키는 데 집전장치는 큰 역할을 해오지 못했다. 그러나 이 연구에서 집전장치를 80% 더 가볍게 만들면 리튬 이온 배터리의 에너지 밀도는 16~26% 증가했다. 이는 최근 몇 년간 달성한 에너지 밀도 평균 3% 증가에 비해 매우 큰 성과라 할 수 있다.

     

    배터리 산업의 연구자들은 집전장치 전체를 더 얇거나 더 다공성으로 만들어 집전장치 무게를 줄이고자 노력해 왔지만 이러한 시도는 배터리 내구성이 약해지고, 화학적으로 더 불안정하게 되는, 그리고 더 많은 전해질을 필요로 하는 비용 상승 문제 등 바람직하지 않은 부작용을 가져왔다.

     

    안전 문제에 관해서는 어떨까? 연구자들은 가연성 부품인 배터리 전해질에 난연제를 첨가하는 시도를 했지만 점성이 생기고 더 이상 이온을 잘 전도하지 못하는 수준까지만 첨가할 수 있었다.

     

    그러나 이 새로운 설계는 폴리이미드(polyimide)라는 경량 폴리머를 기반으로 하여 화재에 강하고 빠른 배터리 충전으로 인한 고온을 견뎌낸다. TPP로 불리는 난연제가 폴리머에 내장되고, 이후 한 양쪽 표면에 초박형 구리층이 코팅되었다. 구리는 전류를 분배하는 일반적 역할을 할뿐만 아니라 폴리머와 난연제를 보호하기도 한다.

     

    이 새로운 접근 방식의 큰 장점 중 하나는 새로운 집전장치가 구리 일부를 저렴한 폴리머로 대체하기 때문에 제조가 쉽고 저렴할 것이란 점이다. 또한 상업적 생산을 위해 규모 확대가 가능할 것이다. 연구자들은 스탠포드대학을 통해 특허를 신청했고, 이 새로운 설계의 가능성을 타진하기 위해 배터리 제조기업들과 연락을 취하고 있다.

     

    References
    Nature Energy,     October 15, 2020, “Ultralight and fire-extinguishing current collectors for high-energy and high-safety lithium-ion batteries,” by Yusheng Ye, et al.  © 2020 Springer Nature Limited. All rights reserved.

     

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    https://www.nature.com/articles/s41560-020-00702-8
    (Ultralight and fire-extinguishing current collectors for high-energy and high-safety lithium-ion batteries chr(124)_pipe Nature Energy)