리튬 이온 전지가 극복해야 할 기술적 문제들

리튬 이온 전지가 극복해야 할 기술적 문제들

리튬 이온 전지는 우리의 삶을 바꾸어 놓았다. 그것들 없이는 우리가 현재 사용하고 있는 노트북이나 휴대 전화 등과 같은 전자 장비가 존재하지 않았을지도 모른다. 그리고 가까운 미래에는 이들 전지의 중요성이 점점 더 커질 것이며, 이를 위한 좀 더 강력한 전지와 재생 에너지, 그리고 전기 차량 등이 일반화되기 위해서는 우선 우리가 직면한 몇몇 기술적 문제들을 극복해야만 한다. 3월 볼티모어에서 열린 미국 물리학 협회에서, 두 명의 버클리 연구진은 이 문제의 다양한 측면을 강조했다. “다른 전지에는 존재하지 않는 매우 놀라운 속성들이 리튬 이온 전지에는 있다. 리튬은 단지 전극을 드나드는 것뿐만이 아니다”라고 UC 버클리 재료 과학부서의 Balsara가 말했다. 거대한 에너지 밀도와 병행한 리튬 이온 전지의 이러한 가역성은 수 천 번의 충전이 가능한 소형 휴대용 전자 장비를 가능케 했다. 그러나 이 기술에는 단점이 있다. 사실상 거의 모든 리튬 이온 전지에 쓰이는 전해질은 가연성 용매이다. 치명적인 고장은 종종 이러한 전해질의 저하로 시작되고, 내부 발화 장치는 폭발을 일으킬 수도 있다. 이러한 문제를 방지하기 위하여, Balsara와 다른 연구진은 불연성 고분자 전해질을 개발하고 있다. 전해질은 두 가지 역할을 한다. 하나는 전극 사이를 이온이 이동하게 하고, 두 번째는 기계적으로는 전지를 보호하고, 단락으로부터 전극을 막는 것이다. 하지만 부드러운 폴리머는 이온 수송에 적합하지만, 강한 폴리머는 좀 더 나은 보호 기능을 제공하기 때문에, 이는 딜레마를 제공한다. Balsara 연구진은 이러한 도전에 새로운 해결책을 제시했다. 그들은 층을 이룬 도메인에 자기 조립을 하는 블록 혼성 중합체(block copolymers)(폴리머 단위가 반복되는 긴 체인)를 사용했다. 이들 층 중 하나는 이온 전송에 적합하도록 부드럽고, 또 다른 하나는 구조적 지지에 필요하게끔 강하게 만들어졌다. 최근 연구에서, 그들은 전극의 전송에 적합한 블록 혼성 중합체를 개발했다. 이 경우, 강한 도메인은 반도성 폴리머가 된다. 아마도 가장 흥미로운 기능은 이 반도성 도메인이 전지가 완전 방전 상태에 도달했을 때, 전류를 끊는 자동 스위치의 역할을 할 수 있다는 것이다. 기존 전지에서, 외부 회로는 전지의 전하 상태를 감시하고, 그것이 완전한 방전 상태에 도달했을 때, 차단하는 역할을 한다. UC 버클리 재료 과학부서의 Steven Harris는 리튬 이온 전지의 전극에 초점을 맞추어 연구하고 있으며, 여기에는 아직 개선의 여지가 많이 있다고 본다. “현재 이러한 전극은 콜드런(cauldron)에 흑연 조각을 집어넣고, 거기에 몇 가지를 더 추가하여 섞는 것이다. 따라서 어쩌면 우리는 이보다 더 나은 것을 만들 수 있을 것”이라고 Harris가 말했다. Harris는 균열이나 지역 밀도의 변화 등과 같은 불균일의 크기와 존재로 실패의 원인을 예측하는 파괴 역학(fracture mechanics) 전문가이다. 따라서 그는 이러한 불균질이 전지의 실패 여부에 큰 역할을 할 것으로 생각한다. 예를 들어, 국부적 기공 구조 변화가 전극의 과잉 충전 여부를 좌우한다. 불균일(inhomogeneities)이 리튬 전송에 어떠한 영향을 미치는지를 좀 더 잘 이해하기 위하여, Harris는 리튬이 흑연으로 분산되는 과정을 비디오로 촬영했다. 흑연이 리튬을 흡수하면, 그것의 색이 변한다. 그는 이 비디오를 통해서, 균열과 결함 주변의 전송에서 뚜렷한 이방성을 발견했다. 이는 현재 전지를 최적화하는데 사용되는 모델에서 쓰이는 이기종 전송(heterogeneous transport)과는 거리가 꽤 멀다. Harris는 이러한 불균일을 조절하고 이해하는 것이 좀 더 나은 전지를 구축하는 열쇠가 될 것이라고 제안했다. 출처 : http://phys.org/news/2013-04-lithium-ion-batteries.html