새로운 산소 이온 배터리 개발
2023-03-27
3’20” 읽기
– 전극은 충전 및 방전 중에 산소 이온이 교환되는 세라믹 금속 산화물로 구성
– 배터리 프로토타입은 여전히 상대적으로 비싼 란탄 사용, 향후 교체될 수 있다.
– 종종 영구적이고 돌이킬 수 없는 용량 저하로 이어지는 리튬 이온 배터리와 대조적
– 풍력과 태양광 시스템을 위한 전기 저장 장치 역할할 수 있다.
연구원들이 새로운 산소 이온 배터리를 개발했다.
세라믹 산화물로 만든 고체 배터리는 고정식 전력 저장 장치 역할을 할 수 있다.
리튬 대신 산소:
연구원들이 새로운 유형의 고체 배터리인 산소 이온 배터리를 발명했다. 전극은 충전 및 방전 중에 산소 이온이 교환되는 세라믹 금속 산화물로 구성된다. 이 배터리의 에너지 밀도는 리튬 이온 배터리보다 낮지만 불연성이며 내구성이 뛰어나고 고온에서 가장 잘 작동한다. 따라서 팀이 보고한 것처럼 산소 이온 배터리는 바람과 태양광 시스템을 위한 전기 저장 장치 역할을 할 수 있다.
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| ▲ 이 혁신적인 박막 고체 배터리는 리튬 대신 산소 이온으로 작동한다. 이것은 그것들을 더 안전하고 내구성있게 만든다. © TU Wien / 비엔나 공과 대학 |
지금까지 리튬 이온 배터리는 어디에나 있었고 거의 없어서는 안 될 존재였다. 그러나 배터리는 폭발할 수 있고 용량이 제한되어 있으며 원자재, 특히 리튬과 코발트가 부족하다. 따라서 과학자들은 얼마 동안 대안을 찾고 있다. 다양한 고체 배터리와 나트륨, 알루미늄, 실리콘, 광물 황철광과 같은 대체 전극 재료가 이미 테스트되고 있다.
전하 캐리어로서의 산소 이온
Vienna University of Technology의 연구원들은 이제 또 다른 대안인 산소 이온 배터리를 개발했다. 이것은 페로브스카이트 구조의 세라믹 금속 산화물을 전극으로 사용하는 박막 고체 전지다. “우리는 연료 전지에 사용할 수 있는 세라믹 재료에 대한 경험이 오래되었다”고 수석 저자인 Alexander Schmid는 말했다. “그것은 우리에게 그러한 물질이 배터리를 만드는 데에도 적합한지 여부를 조사하는 아이디어를 주었다.”
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| ▲ 기능 원리: 충전하는 동안 산소 이온은 LSCrMn 양극에서 음극으로 펌핑되어 빈 공간(V)을 채운다. 방전 시 이온은 LSF 음극에서 LScMn 양극으로 다시 흐른다. © Schmid et al./Advanced Energy Materials, CC-by 4.0 |
이중 음으로 하전된 산소 이온은 일반적인 리튬 이온 대신 새 배터리에서 전하 캐리어 역할을 한다. 공기가 없는 상태에서 전압을 가하면 이러한 이온이 한 전극에서 다른 전극으로 이동하는 전기화학 반응이 발생한다. 방전 시에는 이 과정이 반대로 된다. “기본 원리는 실제로 리튬 이온 배터리의 원리와 매우 유사하다”고 수석 저자인 Jürgen Fleig는 말했다.
전극으로서의 세라믹 산화물
구체적으로, 새로운 고체 전지의 음극은 란탄, 스트론튬, 산화철(La0.6Sr0.4FeO3-δ; LSF)로 만든 퍼워스카이트 화합물과 란타늄, 크롬, 스트론튬, 망간, 산소로 만든 양극( La0.5Sr0.5Cr0.2Mn0.8O3-d;LSCrMn)으로 구성돼 있다. “그들은 주로 자주 발생하는 원소들로 구성되며 리튬이나 코발트와 같은 중요한 원자재 없이도 완전히 할 수 있다”고 팀은 설명했다.
배터리 프로토타입은 여전히 상대적으로 비싼 란탄을 사용하지만, 이 역시 향후 교체될 수 있다. “이 점에서 세라믹 재료의 사용은 매우 잘 적용될 수 있기 때문에 큰 이점이 있다”고 공동 저자인 Tobias Huber는 말했다. “얻기 어려운 특정 원소를 다른 원소로 대체하는 것은 상대적으로 쉽다.” 배터리의 기능에 결정적인 유일한 요소는 물질이 산소 이온을 흡수하고 방출할 수 있는 결정 격자에 공석이 있다는 것이다.
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| ▲ 다른 에너지 저장 장치와 산소 이온 배터리의 비교 © Schmid et al./Advanced Energy Materials, CC-by 4.0 |
리튬이온 배터리보다 낮은 에너지 밀도
초기 테스트에서 산소 이온 배터리는 99% 이상의 쿨롱 효율과 세제곱센티미터당 70mWh(밀리와트시)의 에너지 밀도를 달성했다. 이는 리튬 이온 배터리의 에너지 밀도의 약 1/3에 불과하다. 또한 새 배터리는 기존 배터리가 더 이상 작동하지 않는 범위인 200도 이상의 비교적 높은 온도에서 최상의 성능을 발휘한다.
따라서 새로운 배터리 개념은 스마트폰이나 전기 자동차에는 적합하지 않지만 고정식 에너지 저장(예: 재생 에너지의 전기)에는 적합하다. Schmid는 “태양열 또는 풍력 에너지를 일시적으로 저장하기 위해 대규모 에너지 저장소가 필요한 경우 산소 이온 배터리가 탁월한 솔루션이 될 것”이라고 말했다. “어쨌든 에너지 저장 모듈로 건물 전체를 세우는 경우 낮은 에너지 밀도와 높은 작동 온도는 결정적인 역할을 하지 않는다.“
더 좋은 내구성과 보안
또한 산소 이온 배터리는 기존의 리튬 이온 배터리에 비해 여러 가지 장점이 있다. 고체의 불연성 산화물로만 구성되어 있기 때문에 발화할 수 없다. 따라서 리튬 이온 배터리와 마찬가지로 폭발이나 화재가 발생하지 않는다. 더 중요한 것은 산소 배터리의 수명이 더 길다는 것이다. 기존 배터리에서 이온 전하 캐리어는 전기화학 반응을 통해 점차적으로 손실되고 증착된다.
반면에 산소 이온 배터리를 사용하면 전하 캐리어를 아무 문제 없이 재생할 수 있다. 부반응으로 산소가 손실되는 경우 주변 공기의 산소로 손실을 간단히 보상할 수 있다. 이를 위해 외부 공기와 접촉하는 유일한 전극인 세 번째 전극을 임시로 부착한다. 그런 다음 산소 이온을 생성하여 배터리 손실을 보상한다. 이것은 배터리에 특히 긴 서비스 수명을 제공한다.
“이것은 예를 들어 기생 반응으로 인한 리튬 손실이 종종 영구적이고 돌이킬 수 없는 용량 저하로 이어지는 리튬 이온 배터리와 대조적이다”고 팀은 설명했다.
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| ▲ 고체 산화물 연료/전기분해 전지와 리튬 이온 배터리 전극 사이의 유사성: 두 전극 모두 공식적으로 중성 종(O 또는 Li)을 저장할 수 있으며 여기에서 진한 파란색으로 표시된다. 또한 SOFC 전극은 밝은 점선 화살표로 표시된 대기와 중성 화학종을 교환할 수 있다. 후자의 경로가 차단되면 SOFC 전극은 LIB 전극과 유사하게 작동한다. (출처: 관련논문 Rechargeable Oxide Ion Batteries Based on Mixed Conducting Oxide Electrodes / Advanced Energy Materials / First published: 25 January 2023 ) |
고정 에너지 저장을 위한 좋은 대안
연구원들에 따르면 새로운 산소 이온 배터리는 적어도 고정식 전력 저장과 같은 일부 응용 분야에서 기존의 리튬 이온 배터리에 대한 매우 좋은 대안이다. Schmid는 “우리 배터리의 강점은 긴 서비스 수명, 희귀 원소 없이 이러한 재료를 대량으로 생산할 수 있는 가능성, 이 배터리로 화재 위험이 없다는 사실 등 특히 중요하다”고 강조했다.
팀은 이미 새로운 배터리 개념에 대한 특허를 신청했다. 동시에 보다 효율적인 세라믹 재료를 전극으로 사용하는 최적화된 변형에 대한 작업이 이미 진행되고 있다. 이를 통해 입방 센티미터당 최대 140밀리와트시의 에너지 밀도와 입방 센티미터당 12와트의 출력을 달성할 수 있다. (Advanced Energy Materials, 2023; doi: 10.1002/aenm.202203789)
