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[한번충전 몇일가는 휴대폰] MIT의 솔리드 스테이트 배터리 혁신으로 인해 휴대폰이 며칠간 지속될 수 있다. 리튬 배터리의 액체 전해질을 고체로 교체하여, 배터리를 더 안전하게 만들고 화재 발생 가능성을 줄이며 배터리의 핵심 구성 요소에 새로운 가능성을 열 수 있다

운영자 | 기사입력 2020/02/23 [17:02]

[한번충전 몇일가는 휴대폰] MIT의 솔리드 스테이트 배터리 혁신으로 인해 휴대폰이 며칠간 지속될 수 있다. 리튬 배터리의 액체 전해질을 고체로 교체하여, 배터리를 더 안전하게 만들고 화재 발생 가능성을 줄이며 배터리의 핵심 구성 요소에 새로운 가능성을 열 수 있다

운영자 | 입력 : 2020/02/23 [17:02]

 

김나윤 기자  

      입력 : 2020.02.14 14:37   
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▲ Ju Li MIT배터리개발자

배터리 구조의 획기적인 발전은 오늘날 사용되는 것보다 훨씬 더 큰 에너지 밀도를 가진 리튬 배터리로 이어질 수 있다.

오늘날 과학자들이 리튬 전지의 성능을 향상시키고자 하는 많은 방법 중 하나는 액체 구성품을 고체 성분으로 바꾸는 것이다. 솔리드 스테이트 배터리로 알려진 이 실험 기기는 내부에 포장된 에너지 밀도를 크게 증가시켜 전기 차량 및 모바일 장치의 수명을 연장할 수 있다. MIT의 과학자들은 현재 설계의 일부 한계를 극복하는 새로운 유형의 솔리드 스테이트 배터리 아키텍처를 보여주면서 이 미래를 향한 흥미로운 진전을 보고하고 있다.

일반 리튬 배터리에서 액체 전해질은 배터리가 충전 및 방전될 때 리튬 이온이 양극과 음극 사이를 왕복하는 매개체 역할을 한다.​ 한 가지 문제는 이 액체가 휘발성이 강하며 때로는 삼성의 갤럭시 노트7 스마트폰을 괴롭혔던 것과 같이 배터리 발화를 일으킬 수 있다는 점이다.

이 액체 전해액을 고체 물질로 교체하면 배터리를 더 안전하게 만들고 화재 발생 가능성을 줄일 뿐 아니라 배터리의 다른 핵심 구성 요소에 새로운 가능성을 열어줄 수 있다.​ 화학 트렌드에 발표된 최근 연구에 따르면, 오늘날 리튬 배터리의 양극은 구리와 흑연을 혼합하여 만들어지지만, 이를 대신 순수 리튬으로 만든다면 "현재의 리튬 이온 화학의 에너지 밀도 병목 현상"을 타파할 수 있다고 한다.

따라서 순수한 리튬 양극의 거대한 잠재력은 배터리 연구자들 사이에서 높은 우선 순위를 차지하며, 이를 작동시킬 실행 가능한 고체 전해질의 도입이 그 핵심 발판이다. 하지만 여기에도 중대한 장애물이 있다. 배터리가 재충전되면서, 원자가 리튬 금속 내부에 축적되어 사용 중에 팽창하고 감소해 금속을 수축시킨다. 이는 물질 사이의 지속적인 접촉을 거의 불가능하게 만들고 전해질 파쇄 초래할 수 있다.

이것은 MIT의 새로운 배터리 구조가 극복할 수 있는 문제다.​ 이 배터리 구조는 혼합 이온 전자 전도체(MIEC)와 전자 및 리튬 이온 절연체(ELI)로 알려진 고체 물질의 조합을 포함한다이것들은 3차원 벌집 모양의 구조로 지어졌으며, MIEC로 만든 나노 크기의 튜브가 구조물의 중요한 부분을 형성한다.

 

기사본문 이미지
 

이 튜브들은 고체 리튬 금속을 주입하여 배터리의 양극을 형성한다.​ 그리고 각 튜브 내부에 여분의 공간이 있기 때문에 리튬 금속은 충전 및 방전 중에 팽창하고 수축할 수 있는 여유공간이 생긴다. 이러한 방식으로, 물질은 고체 물질과 액체 물질 사이에서 미세한 선을 그리며 액체처럼 움직이지만 그 과정 내내 고체 결정 구조를 유지한다.

이 모든 것은 벌집구조 양극 내부에서 발생하며, ELI는 튜브의 벽을 코팅하고 이들과 고체 전해질 사이에서 바인더 역할을 한다.​ 즉, 배터리가 충전될 때 리튬 금속의 변동 치수가 구조 내부에 완전히 포함되고 그 외부 치수는 변하지 않는다.

그 결과 리튬은 고체 전해질과의 전기적 접촉을 잃지 않는 반면충전 및 방전 과정을 통해 순환하면서 화학적으로나 기계적으로 안정한 배터리 양극이 나왔다. 연구진 이를 다른 실험용 솔리드 스테이트 배터리에 대한 중요한 진전으로 보고 있다. 이 배터리는 일반적으로 혼합된 액체 전해질에 의존하여 작동한다.

"하지만 우리 배터리의 경우, 전부 고체로 이루어져 있습니다,"라고 MIT의 재료 과학 및 공학 교수 Ju Li는 말한다. "여기에는 어떤 종류의 액체나 젤도 들어있지 않습니다."

​연구팀은 솔리드 스테이트 배터리 아키텍처를 테스트하였으며, 그 결과 파손 흔적없이 100회의 충전 및 방전 사이클을 견딜 수 있다고 보고했다. 더 나아가, 이 기술은 현재 디자인의 약 4분의 1에 달하는 무게지만 동일한 저장 용량을 가진 양극을 만들 수 있다. 연구팀은 다른 첨단 음극 설계와 결합, 무게와 크기가 동일하며 3일에 한 번 충전해도 되는 스마트폰을 개발할 수 있다고 전한다.

 
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