한국의 한 연구팀이 리튬 금속 배터리를 더욱 안전하고 내구성 있게, 그리고 상용화에 한발 더 다가갈 수 있는 새로운 방법을 개발했습니다. 이 연구는 전기 자동차와 대규모 에너지 저장의 미래에 대한 희망을 열어줍니다.
한국화학연구원(KRICT)의 석정돈 박사가 이끄는 연구팀은 특별한 '전사 프린팅' 기술을 발명했습니다.
이 기술을 사용하면 독성 화학 용매를 사용하거나 민감한 리튬 층을 손상시키지 않고도 리튬 표면에 보호층을 만들 수 있습니다. 이는 수년간 리튬 금속 배터리 기술 개발을 지연시킨 주요 과제였습니다.
리튬-금속 배터리: 새로운 에너지 혁명?
흑연 음극을 사용하는 기존 리튬 이온 배터리와 달리, 리튬 금속 배터리는 순수 리튬을 사용합니다. 리튬은 에너지 밀도가 10배나 높아 훨씬 작고 가벼운 배터리에 더 많은 에너지를 저장할 수 있습니다.
이는 전고체 전지나 리튬-황 전지와 같은 첨단 전지의 핵심 기술입니다. 그러나 금속 리튬은 치명적인 약점을 가지고 있습니다. 충전/방전 시 리튬 표면에 덴드라이트라고 불리는 작은 바늘 모양의 섬유가 자랄 수 있다는 것입니다.
충분히 커지면 단락, 화재, 또는 배터리 완전 고장을 일으킬 수 있습니다. 한국의 획기적인 접근법은 간접적인 방법을 사용했다는 것입니다.
연구팀이 개발한 리튬금속 배터리 시제품. 사진: 한국화학연구원 - 석정돈
전통적으로 수지상 형성을 방지하기 위해 액체 용매를 사용하여 리튬에 직접 보호 코팅을 도포합니다. 하지만 이 방법은 리튬 표면을 쉽게 오염시키고 손상시켜 대량 생산을 매우 어렵게 만듭니다.
KRICT 연구팀은 이 과정을 완전히 뒤집었습니다. 다른 표면에 보호층을 미리 형성한 다음, 마치 스티커를 붙이듯이 리튬에 압력을 가해 부드럽게 "붙였습니다".
이 방식은 롤투롤 전사 인쇄라고 불립니다. 깨끗하고, 확장 가능하며, 리튬을 손상시키지 않습니다. 연구팀은 두 가지 유형의 보호층을 설계했는데, 하나는 산화알루미늄과 금의 합금으로 만들어졌고, 다른 하나는 세라믹과 유연한 폴리머로 만들어진 하이브리드 소재입니다.
두 재료 모두 두께가 약 5마이크로미터에 불과하지만 넓은 영역을 덮을 수 있어 수지상 결정이 자라는 것을 막고 리튬 이온이 전극과 전해질 사이에서 더 효율적으로 움직이는 데 도움이 됩니다.
테스트 결과, 보호된 배터리는 100회 충전 사이클 후에도 용량의 81% 이상을 유지했습니다. 이는 보호되지 않은 리튬 배터리의 두 배에 달하는 수치이며, 빠른 충전 중에도 안정성을 유지했습니다.
리튬 이온 배터리는 매우 인기가 많지만, 오늘날 가장 우려되는 문제는 폭발 위험입니다. 사진: Gen AI
연구팀은 AAA 배터리의 절반 크기에 해당하는 245 x 50mm 크기의 배터리 프로토타입을 성공적으로 제작했습니다. 이는 해당 배터리가 산업 규모 생산에 적합함을 입증합니다.
과학자들은 이 방법이 특히 전기 자동차와 대규모 에너지 저장 시스템 분야에서 리튬-금속 배터리의 상용화를 가속화할 수 있을 것으로 믿고 있으며, 고체 배터리, 리튬-황 배터리와 같은 새로운 배터리 기술에도 적용될 수 있을 것으로 보고 있습니다.
한국화학연구원 이영국 원장은 "이것은 고에너지 리튬금속 배터리를 구현하는 가장 실용적인 솔루션 중 하나"라고 말하며, 이 기술이 글로벌 배터리 공급망에서 한국의 입지를 강화할 수 있는 잠재력을 강조했다.
출처: https://khoahocdoisong.vn/pin-lithium-kim-loai-xoa-noi-lo-chay-no-post2149042593.html
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