급진적인 양극 발전으로 초고성능 배터리가 현실이 되다

원문 링크 : https://www.theearthandi.org/post/radical-anode-advancement-makes-ultra-high-performance-batteries-a-reality

그리드 규모의 재생 에너지 저장부터 대량 생산된 전기 자동차까지, 미래의 에너지 인프라는 배터리에 크게 의존합니다. 특히 대용량 배터리는 에너지 인프라의 미래에 인기 있는 상품입니다.

그러나 배터리 기술과 엔지니어링에서 획기적인 발전을 이루는 것은 간단한 문제가 아닙니다. 수년에 걸쳐 입증된 재료를 사용한 리튬 이온 배터리는 이론적 한계 근처에서 최적화되었습니다. 구조적 한계를 극복하기 위해 새로운 재료를 테스트해야 합니다.

한국 오산에 있는 차세대 배터리 제조 기업인 EUROCELL 의 연구개발 부서에서는 고용량 배터리 개발의 일환으로 고용량 양극 소재를 설계하는 방법을 연구하고 있습니다.

시중에서 판매되는 리튬 이온 배터리에서 가장 흔한 양극 소재는 흑연입니다. 배터리 소재로서 흑연은 풍부하고 저렴하며 안정적으로 작동합니다. 그러나 더 높은 용량의 배터리에 대한 필요성은 계속 증가하고 있으며, 이론적 용량의 한계 근처에서 작동하도록 최적화된 흑연은 뒤처지고 있습니다.

이런 한계를 극복하기 위해 저와 제 팀원들은 높은 에너지 밀도를 가진 대체 양극 물질인 실리콘을 연구했습니다.

흑연은 안정성이 좋고 전위가 낮아 상업적으로 이용 가능한 리튬 이온 배터리에서 가장 흔한 양극 재료입니다. 그러나 372mAh/g의 제한된 이론 용량은 끊임없이 증가하는 수요를 충족하는 데 필요한 에너지 밀도에 미치지 못합니다.

실리콘은 고용량 리튬 이온 배터리에 가장 유망한 양극 재료 중 하나입니다. 실리콘의 이론 용량은 4200mAh/g로 흑연보다 약 11배 높습니다. 그러나 일반적으로 충전 및 방전 시 실리콘 입자는 최대 400%까지 극적으로 팽창 및 수축합니다. 이 문제와 기타 심각한 장애물을 해결하는 것이 저희 작업의 초점이었습니다.

저희의 연구는 최근 공학적 돌파구를 마련했습니다. 저희는 상업적으로 이용 가능한 실리콘과 흑연의 조합을 활용하는 새로운 방법을 발견했고 놀라운 결과를 얻었습니다.

일반적으로 기계적 분쇄 공정을 통해 300나노미터(nm)보다 작은 실리콘 입자를 만드는 것은 극히 어렵습니다. 실리콘의 심각한 부피 팽창을 억제하기 위해 100nm 이하의 입자를 제조해야 합니다. 그러나 생산 비용이 높아 이 방법은 상업적으로 이용할 수 없습니다.

저희 연구팀은 미세 크기의 실리콘을 100nm 미만으로 성공적으로 분쇄할 수 있는 정교한 볼밀을 설계했습니다. 나아가 저희는 고급 볼밀링 및 분무 건조 방법을 사용하여 구조화된 복합재를 만드는 제어 가능하고 확장 가능한 방법을 개발했습니다.

©유로셀

전계 방출 주사 전자 현미경으로 분석한 결과 코어-쉘 구조가 밝혀졌습니다. 실리콘 나노입자가 흑연 코어에 성공적으로 매립되었고 비정질 탄소 쉘로 코팅되었습니다. 이 설계는 리튬 이온의 이동 거리를 줄여 구조적 응력을 최소화하여 기존 인공 흑연보다 더 높은 전력 밀도를 제공합니다. 그런 다음 이 애노드 구조는 표준 NCA(리튬 니켈 코발트 알루미늄 산화물 기반) 캐소드를 사용하여 현장 테스트를 위한 파우치형 풀 셀로 제작될 수 있습니다.

최근 획기적인 배터리 설계를 사용하여 드론 비행 시험을 실시했습니다. 성공적인 비행은 인상적인 결과를 낳았습니다. 새로운 배터리를 사용한 비행 시간은 같은 용량의 기존 배터리를 사용한 비행 시간보다 155% 더 길었습니다.

또한, 저희 연구실에서는 배터리 제조 과정에서 발생하는 원자재 폐기물을 보존하는 방법도 개발하고 있습니다.

일반적으로 자연에서 채굴한 플레이크 흑연은 양극 재료로 사용하기 위해 구형 흑연으로 가공해야 합니다. 불행히도 이 공정은 흑연의 순도를 높이기 위해 많은 양의 산성 용액을 사용하기 때문에 환경 오염을 일으킵니다. 구형 흑연 가공은 엄청난 양의 원료 폐기물(최대 70%)을 발생시키고 환경에도 심각한 위험을 초래하는 산 사용에 크게 의존합니다.

반면에 우리는 위에서 설명한 폐기물의 70%를 가져와 더욱 완벽하게 사용 가능한 구형 조립 흑연으로 재조립할 수 있었습니다. 우리의 성공은 배터리의 대량 생산이 친환경적인 방식으로 완료될 수 있음을 보여주며, 따라서 경제적으로 실행 가능한 동시에 환경 오염을 최소화합니다.

상기 설명한 공정을 통해 생산된 구형 조립 흑연과 NCM622(리튬 니켈 코발트 망간 산화물 기반) 양극재를 결합하여 풀셀 파우치 배터리를 제조했습니다. 충전 및 방전 테스트(1°C~10°C 조건)를 수행하여 구형 조립 흑연의 우수한 전력 밀도를 관찰할 수 있었습니다. 6분 미만의 급속 충전 후 용량 유지율(배터리가 플러그를 꽂지 않았을 때 저장된 전하를 유지하는 능력)은 1시간 충전과 비교하여 여전히 81.7%였습니다.

우리 연구실의 유망한 결과는 새로운 배터리가 기존 배터리의 고용량, 고출력 문제를 해결하는 데 성공적으로 설계될 수 있음을 보여줍니다.

*Dr. Byung-gwan Lee is the director of research and development at EUROCELL, INC., a Korean company that produces lithium ion batteries.