연구원들은 보다 효율적인 전기차 배터리 개발을 위해 지난 수년간 많은 시행착오를 겪어왔습니다. 하지만 해외의 연구팀에서 기존 배터리의 한계를 극복한 미래지향적인 배터리가 발명되었습니다. 이 배터리는 최소한 10년 이상 사용 가능하며, 단 10분 충전 시간으로 금방 완전충전이 가능합니다.
하버드 대학교 공과대학(John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences, SEAS)의 연구원들은 Nature Materials에서 최근 이러한 새로운 배터리 기술을 발표하였습니다. 이 새로운 기술은 리튬 금속 양극과 고체 리튬 이온 전해질을 사용하여 고체 상태 배터리를 제조하는 방법을 설명하고 있습니다.
발명가인 신 리는 “리튬 금속 양극 배터리는 상용 그래핏 양극의 용량보다 10배 크기 때문에 전기차의 주행 거리를 현격히 향상시킬 수 있어서, 꿈꿔오던 ‘배터리의 신’이라고 할 수 있습니다. 당사의 연구는 산업 및 상업용 고체 상태 배터리에 더욱 실용적인 솔루션을 제공하기 위한 중요한 발전입니다”라고 밝혔습니다.
이 새로운 리튬 금속 배터리는 기존의 리튬 이온 배터리에 비해 더 높은 에너지 밀도를 가지고 있습니다. 이는 배터리의 크기나 무게를 증가시키지 않고 더 많은 에너지를 저장하고 전기차의 주행 거리를 연장할 수 있다는 장점을 제공합니다.
그러나, 리튬 금속 배터리를 설계하는 것은 과거에는 안정적인 결과를 얻기 어려운 문제가 있었습니다. 외신 Tech Xplore는 “리튬 금속 양극에는 덴드라이트(Dendrite)가 형성되는 문제가 있는데, 이 형상은 결정처럼 성장하여 전해질을 관통해서 배터리가 단락되거나 화재가 발생할 수 있습니다”라고 설명하고 있습니다.
하지만 최근의 연구 결과에 따르면, 신 리와 그의 팀은 이러한 덴드라이트 형성을 막을 수 있는 방법을 찾았습니다. 이들은 리튬 금속 양극에 마이크론 크기의 실리콘 입자를 사용하여 지속적인 리튬 금속 증착과 균일한 리튬 금속 층 형성을 가능하게 하였습니다.
이처럼 설계된 배터리는 대학 연구실에서 일반적으로 개발되는 코인 셀 배터리의 크기보다 10~20배 더 큰 우편봉투 모양의 배터리입니다. 이 배터리는 6,000회의 충전과 방전 사이클 후에도 용량의 80%를 유지하여 현재 시장에서 사용 가능한 다른 배터리보다 우수한 성능을 보여주고 있습니다.
향후, 이 연구팀의 목표는 스마트폰 소형의 배터리 개발로 기술을 상용화하는 것입니다.
이 연구는 많은 유망한 고체상태 배터리의 잠재적인 성능을 제공할 수 있는 다양한 물질을 발견했습니다. 신 리는 “이전 연구에서, 은을 비롯한 다른 물질이 고체상태 배터리에 좋은 양극 재료로 사용될 수 있음을 알 수 있었지만, 이번 연구에서는 이러한 과정의 잠재적인 기전을 설명하고, 새로운 배터리 설계를 위한 새로운 재료를 식별할 수 있는 길을 제시하였습니다”라고 설명하였습니다.
리튬 대신 아이오딘과 아연은 대체 가능한 솔루션으로 각광받을 수 있을 것으로 예상됩니다. 이러한 새로운 개발은 중국에 대한 리튬 수입 종속을 줄이는 데도 도움이 될 것입니다. 중국은 현재 세계에서 3번째로 큰 리튬 채광국입니다.
지금 바로 뉴스레터에 가입하여 매주 생활과 지구를 지키며 우리의 삶에 긍정적인 영향을 미치는 최신 기술에 대해 알아보세요!
기사 번역:
연구팀은 최근 새로운 배터리 기술을 소개하고 있습니다. 이 배터리는 최소한 10년 이상 사용 가능하고, 10분 충전으로 완전충전이 가능합니다. 하버드 대학교 공과대학의 연구원들은 리튬 금속 양극과 고체 리튬 이온 전해질을 사용하여 고체 상태 배터리를 제조하는 방법을 설명하고 있습니다. 이 배터리는 기존의 리튬 이온 배터리보다 더 높은 에너지 밀도를 가지며, 크기나 무게를 증가시키지 않고 전기차의 주행 거리를 연장하는 장점이 있습니다. 그러나 리튬 금속 양극에서 덴드라이트 형성으로 발생할 수 있는 문제를 치유하는 방법을 찾았습니다. 이 연구는 스마트폰 소형의 배터리 개발을 목표로 하고 있으며, 리튬 대신 아이오딘과 아연은 대체 가능한 솔루션이 될 수 있을 것으로 기대됩니다.
주요 용어 정의:
– 리튬 금속 양극 배터리: 리튬 금속 양극을 사용하는 배터리로, 전기적으로 충전 및 방전되는 장치입니다.
– 고체 상태 배터리: 고체 상태로 이루어진 배터리로, 전기를 저장하고 방출 가능한 장치입니다.
– 덴드라이트: 리튬 금속 양극에서 형성되는 결정과 같은 형상으로, 배터리의 단락이나 화재 발생의 원인이 될 수 있습니다.
주요 질문과 답변:
1. 이 새로운 배터리는 어떤 특징을 가지고 있나요?
– 이 배터리는 최소한 10년 이상 사용 가능하며, 10분 충전으로 완전충전이 가능합니다. 또한 더 높은 에너지 밀도를 가지며 크기나 무게를 증가시키지 않고 전기차의 주행 거리를 연장하는 장점이 있습니다.
2. 리튬 금속 양극 배터리에서 발생하는 문제는 무엇인가요?
– 리튬 금속 양극에서는 덴드라이트가 형성되는 문제가 있습니다. 이는 배터리의 단락이나 화재 발생의 원인이 될 수 있습니다.
3. 새로운 배터리는 어떻게 덴드라이트 형성을 피할 수 있나요?
– 이 연구는 마이크론 크기의 실리콘 입자를 사용하여 리튬 금속 양극에 지속적인 리튬 금속 증착과 균일한 리튬 금속 층 형성을 가능하게 했습니다.
4. 스마트폰 소형의 배터리를 개발하는 것은 어떤 이점이 있나요?
– 스마트폰 소형의 배터리는 전기차 외에도 다양한 기기에 적용할 수 있으며, 산업 및 상업용 고체 상태 배터리에 실용적인 솔루션을 제공할 수 있습니다.
관련 링크:
– Nature Materials: https://www.nature.com/nmat/
– John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences: https://www.seas.harvard.edu/
(NOTE: 수정된 URL은 제공되지 않았으므로, 위 링크는 예시일 뿐입니다.)