배터리기술 (33) 썸네일형 리스트형 리튬-공기 배터리의 산소 환원반응 촉매 성능 최적화 궁극의 배터리를 향한 꿈: 11,000Wh/kg의 유혹2009년 IBM이 "Battery 500" 프로젝트를 발표했을 때, 전 세계 배터리 연구자들의 가슴이 뛰었다. 500마일(800km)을 한 번 충전으로 달릴 수 있는 전기차를 만들겠다는 야심찬 계획이었다. 그 핵심에는 리튬-공기 배터리가 있었다. 이론 에너지밀도 11,400Wh/kg - 이는 휘발유(12,000Wh/kg)에 맞먹는 수치였다. 하지만 15년이 지난 2025년 현재, 리튬-공기 배터리는 여전히 실험실을 벗어나지 못했다. 왜일까? 답은 산소라는 까다로운 파트너 때문이다. 리튬이 공기 중 산소와 만나 Li₂O₂를 만드는 반응은 단순해 보이지만, 실제로는 엄청나게 복잡하다. 산소 분자(O₂)가 전자를 받아 과산화리튬(Li₂O₂)으로 변하는 과.. 마그네슘 배터리용 비수계 전해질의 분해 전압 확장 기술 마그네슘의 역설: 완벽한 후보의 불완전한 현실마그네슘 배터리는 종이 위에서는 완벽하다. 마그네슘은 지각에서 여덟 번째로 풍부한 원소로 바닷물에서 쉽게 얻을 수 있고, 가격은 리튬의 1/20 수준이다. Mg²⁺는 2개의 전자를 주고받아 이론적으로 같은 부피에서 리튬의 2배 에너지를 저장할 수 있다. 게다가 리튬처럼 덴드라이트도 형성하지 않아서 안전하다. 그런데 왜 아직 상용화되지 않았을까? 답은 한 마디로 "전해질의 배신" 때문이다. 리튬이온 배터리에서 당연하게 여겨지는 4V급 전압이 마그네슘 배터리에서는 꿈같은 이야기다. 대부분의 전해질이 2.5-3V에서 분해되어 버리기 때문이다. 이 문제의 뿌리는 마그네슘의 +2가 전하에 있다. Mg²⁺는 Li⁺보다 전하밀도가 3배나 높아서 전해질 분자들과 훨씬 강하게.. 칼슘이온 배터리의 전해질 선택과 계면 호환성 개선 방안 잠들어 있던 거인의 각성: 칼슘이온 배터리의 부상2017년 어느 여름날, 일본 국립물질과학연구소(NIMS)의 한 연구실에서 작은 기적이 일어났다. 10년간 실온에서 충방전이 불가능하다고 여겨져 온 칼슘이온 배터리가 마침내 작동한 것이다. 연구진이 유기 전해질을 바꿔가며 수백 번의 실험을 반복한 끝에 얻은 성과였다. 왜 하필 칼슘일까? 답은 간단하다. 지구 상에서 다섯 번째로 풍부한 원소이면서도 리튬의 모든 한계를 극복할 수 있는 잠재력을 가졌기 때문이다. 칼슘은 바닷물에 400ppm이나 들어있어 사실상 무한 공급이 가능하고, 가격은 리튬의 1/100 수준이다. 더 놀라운 건 이론 용량이다. Ca²⁺는 2개의 전자를 주고받을 수 있어 같은 부피에서 리튬의 2배 에너지를 저장할 수 있다. 하지만 현실은 녹록.. 전고체 배터리용 황화물계 고체전해질의 이온전도도 향상 메커니즘 황화물계 고체전해질의 결정구조와 이온전도 기본원리황화물계 고체전해질은 Li2S-P2S5, Li2S-SiS2, Li2S-GeS2 등의 이원계 시스템을 기본으로 하며, 이들의 결정구조는 이온전도도에 결정적인 영향을 미친다. 가장 널리 연구되는 Li2S-P2S5 시스템에서는 조성비에 따라 다양한 구조상이 형성된다. Li7P3S11은 argyrodite 구조를 기본으로 하는 고이온전도성 화합물로, 상온에서 10⁻³ S/cm 이상의 이온전도도를 나타낸다. 이 구조에서 PS4 사면체가 3차원 네트워크를 형성하고, Li⁺ 이온이 이들 사이의 채널을 통해 이동한다. 황화물 고체전해질의 이온전도 메커니즘은 주로 vacancy mechanism을 따른다. Li⁺ 이온이 격자 내 빈자리(vacancy)로 이동하면서 이온전도.. 나트륨이온 배터리 양극재 층간 구조 안정화를 위한 도핑 전략 리튬의 그림자에서 벗어나려는 나트륨의 여정"나트륨이온 배터리? 그게 되겠어?" 10년 전만 해도 대부분의 배터리 전문가들이 고개를 젓던 기술이다. 나트륨이온(Na⁺)은 리튬이온(Li⁺)보다 덩치가 67%나 크고(이온 반지름: Na⁺ 1.02Å vs Li⁺ 0.76Å), 무게도 3배나 무겁다. 에너지밀도로만 따지면 리튬이온 배터리의 상대가 되지 않는다. 하지만 2020년대 들어 상황이 급반전됐다. 리튬 가격이 폭등하고(2021년 톤당 1만 달러 → 2022년 8만 달러), 공급망 불안정이 심각해지면서 '차선책'이던 나트륨이온 배터리가 갑자기 '필수 대안'으로 떠올랐다. 나트륨은 바닷물에서 무한정 얻을 수 있고, 가격도 리튬의 1/40 수준이다. CATL이 2021년 첫 상용 나트륨이온 배터리를 발표하면서 .. 고용량 리튬메탈 음극의 계면 안정화를 위한 인공 보호층 설계 리튬메탈 음극의 특성과 계면 불안정성 메커니즘리튬메탈은 가장 낮은 전기화학 전위(-3.04V vs SHE)와 최고의 이론 비용량(3860mAh/g)을 가진 궁극의 음극재료이다. 리튬의 밀도는 0.534g/cm³로 매우 낮아 부피 용량(2061mAh/cm³)도 실리콘(8334mAh/cm³)보다 낮지만, 전지 시스템 전체로 보면 집전체와 바인더가 불필요하여 실제 에너지밀도는 훨씬 높다. 기존 흑연 음극(372mAh/g) 대비 10배 이상의 용량으로, 500Wh/kg 이상의 고에너지밀도 배터리 구현이 가능하다. 또한 리튬메탈 음극을 사용하면 Li-S(2600Wh/kg), Li-air(11400Wh/kg) 등 차세대 배터리 시스템의 구현이 가능하여 전기항공기, 장거리 전기차 등의 응용이 열린다. 하지만 리튬메탈.. 배터리 재활용에서 리튬 회수율 향상을 위한 선택적 용해 기술 폐배터리 조성 분석과 리튬 회수의 기술적 과제폐 리튬이온 배터리는 리튬, 코발트, 니켈, 망간 등 고부가가치 금속을 다량 함유하고 있어 도시 광산으로 불린다. 전형적인 NCM811 배터리에서 리튬 함량은 배터리 중량의 1.2-1.5%로, 이는 천연 리튬광석(spodumene, 0.4-0.7% Li₂O)보다 2-3배 높은 농도이다. 하지만 리튬은 가장 가벼운 알칼리 금속(원자량 6.94)으로 다른 전이금속들(Co: 58.93, Ni: 58.69, Mn: 54.94)에 비해 경제적 가치가 상대적으로 낮아 회수 우선순위에서 밀리는 경우가 많았다. 그러나 최근 리튬 가격 급등(2021년 톤당 1만달러 → 2022년 8만달러)과 공급망 불안정으로 리튬 회수의 경제성이 크게 향상되었다. 폐배터리 내 리튬의 존재 형.. 리튬이온 배터리 잔존수명(SOH) 예측을 위한 머신러닝 모델 개발 SOH 정의와 배터리 노화 메커니즘 분석배터리 건강상태(SOH, State of Health)는 배터리의 현재 성능을 초기 성능 대비 백분율로 나타낸 지표로, 일반적으로 용량 유지율로 정의된다. SOH = (Current Capacity / Initial Capacity) × 100%로 표현되며, 새 배터리는 100%, 사용 종료 기준인 80%까지 감소하는 과정을 추적한다. 하지만 용량뿐만 아니라 내부저항 증가, 출력 성능 저하도 SOH 평가에 포함될 수 있어, SOH_capacity = Qnow/Qnominal, SOH_power = Pnow/Pnominal, SOH_resistance = Rinitial/Rnow 등 다차원적 정의가 사용된다. 실제 응용에서는 용량 기준 SOH가 가장 널리 사용되며, .. 이전 1 2 3 4 5 다음
