리튬-공기 vs 리튬-이온: 전문가 인사이트와 성능 비교

빌리 헐리, 디지털 편집 매니저

"우리의 리튬-공기 배터리 설계는 배터리 커뮤니티에 혁명을 가져올 것"이라고 시카고 일리노이대학 기계공학과 아민 살레히-코진 교수가 말했습니다.

살레히-코진 교수와 UIC 및 아르곤 국립연구소 연구진은 자연 공기 환경에서 작동하며 기록적인 750회 충방전 사이클 후에도 기능하는 전기화학 셀을 설계했습니다.

리튬-공기 배터리 작동 원리와 잠재력

리튬-공기 배터리는 공기 중 산소와 양극의 리튬이 결합해 방전 시 과산화리튬을 생성하고, 충전 시 리튬과 산소 성분이 분해됩니다. 리튬-이온 배터리보다 최대 5배 더 많은 에너지를 저장할 수 있어 전화기, 노트북, 전기차용으로 주목받습니다.

기존 기술의 한계와 혁신적 해결책

초기 리튬-공기 배터리는 리튬 이온이 공기 중 이산화탄소, 수증기와 결합해 양극을 막는 부산물을 생성해 실패하곤 했습니다. 연구진은 리튬 양극에 탄산리튬 얇은 층을 코팅해 리튬 이온만 전해질로 통과시키고 원치 않는 화합물은 차단했습니다. 또한 산소 투입용 탄소 기반 다공성 격자 구조에 이황화몰리브덴 촉매를 코팅하고, 이온성 액체와 디메틸설폭사이드(DMSO) 혼합 하이브리드 전해질로 리튬-산소 반응을 촉진하고 공기 중 타 원소와의 부반응을 최소화해 효율을 높였습니다.

전문가 Q&A: 래리 커티스 아르곤 석학연구원

충전 속도는?

커티스: 현재 리튬-이온 배터리와 유사하며, 추가 연구로 향상 가능합니다.

어떻게 리튬-이온을 능가하나?

리튬과 산소 간 화학 결합을 이용해 에너지를 저장하는데, 이 결합이 리튬-이온 배터리의 금속산화물 층간 리튬 삽입 상호작용보다 에너지 밀도가 높습니다.

발화/폭발 위험성(관통, 과열, 과충전 등)은?

커티스: 리튬 양극은 폭발 위험이 알려져 있습니다. 많은 과학자가 리튬 양극 안전성 연구 중이나 상당한 노력이 필요합니다. 다만 우리는 양극 표면을 전기적으로 절연되면서 이온 전도성인 물질로 보호해 양극-음극 간 단락으로 인한 폭발과 과열을 방지했습니다.

예상 고장 모드는?

커티스: 스케일업 과정에서 조사 예정입니다.

기타 안전 우려? 일반 리튬-이온 에너지 밀도가 TNT급인데 5배라면? 코팅으로 부반응을 막는다지만 공기 중 CO₂, N₂ 등 다른 오염물질이 부식되어 층을 파괴하거나 내부 단락으로 화재 가능성은?

커티스: 실험실 규모에서 이러한 안전 이슈는 나타나지 않았습니다. 다음 단계는 소형 셀을 배터리 팩으로 스케일업해 테스트하며 안전 이슈를 발굴하고 해결하는 것입니다. 그러나 양극 표면의 견고한 보호층 덕분에 셀 역전으로 인한 과열은 우리 시스템에서 발생하지 않을 것으로 봅니다.

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