리튬-공기 vs. 리튬-이온:전문가의 통찰력 및 성능 비교

Billy Hurley, 디지털 편집 관리자

시카고 일리노이 대학교 기계 및 산업 공학과 조교수인 아민 살레히 코진(Amin Salehi-Khojin)은 "우리의 리튬 공기 배터리 설계는 배터리 커뮤니티의 혁명을 의미합니다."라고 말했습니다.

Salehi-Khojin과 UIC 및 아르곤 국립 연구소의 동료 연구원들은 자연 대기 환경에서 작동하고 기록적인 750회 충전/방전 주기 후에도 여전히 작동하는 전기화학 전지를 설계했습니다.

리튬-공기 배터리는 공기 중의 산소와 양극에 존재하는 리튬을 결합합니다. 혼합물은 방전 단계에서 과산화리튬을 생성하고 충전 단계에서 리튬과 산소 성분을 분해합니다.

실험적인 리튬 공기 배터리. (사진:Amin Salehi-Khojin.)

리튬 공기 배터리는 오늘날 휴대전화, 노트북, 전기 자동차에 전원을 공급하는 동일한 리튬 이온 배터리보다 최대 5배 더 많은 에너지를 저장할 수 있는 용량을 가진 것으로 알려져 있습니다.

그러나 초기의 "리튬-공기" 아이디어는 자주 실패했습니다.

리튬 이온이 공기 중의 이산화탄소 및 수증기와 결합하면 결과적으로 음극을 검게 만드는 부산물이 되는 경우가 많습니다.

축적을 방지하고 배터리가 자연 공기 환경에서 작동할 수 있도록 하기 위해 UIC와 Argonne 연구진은 리튬 양극을 탄산리튬의 얇은 층으로 코팅했습니다. 코팅은 선택적으로 양극의 리튬 이온이 전해질로 유입되도록 허용하는 동시에 원하지 않는 화합물이 양극에 도달하는 것을 방지합니다.

리튬 공기 배터리의 실험 설계에서 산소는 탄소 기반 해면 격자 구조를 통해 전해질로 들어갑니다.

Salehi-Khojin과 그의 동료들은 이황산 몰리브덴 촉매로 격자 구조를 코팅했습니다. 이온성 액체와 배터리 전해질의 공통 성분인 디메틸설폭사이드로 만들어진 독특한 하이브리드 전해질은 리튬-산소 반응을 촉진하고 리튬이 공기 중 다른 원소와의 반응을 최소화하며 배터리 효율을 높이는 데 도움이 되었습니다.

그러나 독자들은 질문이 있었습니다. 배터리가 과열되면 어떻게 되나요? 배터리가 폭발할 수 있나요? 안전 문제가 있나요? 리튬 공기 배터리는 리튬 이온 배터리와 어떻게 비교됩니까? Argonne Distinguished Fellow이자 해당 연구의 공동 저자인 Larry Curtiss는 시간을 내어 청중에게 답변을 제공했습니다. 아래 답변을 참조하세요.

충전 요금은 어떻게 되나요?

커티스: 이때의 충전 속도는 리튬이온 배터리와 비슷합니다. 추가 조사를 통해 수치는 더 높아질 수 있습니다.

귀하의 새로운 디자인은 어떻게 리튬 이온 배터리보다 더 강력합니까?

Li와 산소 사이의 화학 결합을 사용하면 배터리는 훨씬 더 많은 에너지를 저장할 수 있습니다. 그 이유는 Li 이온 배터리에 사용되는 금속 산화물층과 Li 사이의 삽입 상호 작용보다 결합이 더 조밀하기 때문입니다.

인화성 또는 폭발 가능성은 어느 정도입니까(천공, 과열, 과충전 등의 경우)?

커티스: 우리가 발표한 Li-air 배터리의 한 구성 요소는 리튬 양극입니다. 폭발을 일으킬 수 있는 것으로 알려졌습니다. 많은 과학자들이 리튬 양극의 안전성 문제를 연구하고 있으며 아마도 이를 안전하게 하기 위해 많은 노력을 기울일 것입니다. 그러나 양극과 음극 사이의 배터리 단락으로 인한 폭발을 방지하기 위해 전기 절연체이지만 이온 전도성 물질로 Li 양극 표면을 보호했다는 점은 언급할 가치가 있습니다. 이렇게 하면 배터리 과열도 방지됩니다.

어떤 실패 모드가 예상되나요?

커티스: 이는 규모 확장 중에 조사될 예정입니다.

다른 안전 문제가 있나요? 표준 리튬 이온 배터리의 에너지 밀도는 TNT와 동일합니다. 배터리의 에너지 밀도는 5배입니다. 이론적으로는 이러한 얇은 코팅으로 원하지 않는 반응을 제한하지만 공기 중에는 다른 잠재적인 오염 물질(CO2, N2 등)이 있습니다. 이들 중 일부가 부식되어 층을 분해할 수 있습니까? 내부 단락으로 인해 단일 셀이 반전되어 화재가 발생할 수 있습니까?

커티스: 배터리는 테스트 중에 이러한 안전 문제가 전혀 나타나지 않은 실험실 규모에서만 개발되었습니다. 다음 단계는 이러한 소형 셀을 배터리 팩으로 확장하고 테스트한 후 안전 문제가 무엇인지 찾아 해결하는 것입니다. 그러나 우리 시스템에서는 Li 양극 표면의 견고한 보호층으로 인해 셀 반전으로 인한 과열이 발생하지 않을 것으로 믿습니다.

어떻게 생각하시나요? 리튬공기전지에 대해 더 궁금한 점이 있으신가요? 아래에서 공유해 주세요.

리튬공기전지의 개략도. (제공:UIC 및 아르곤 국립 연구소.)