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음극재가 없는 리튬 전지(Anode-Free Li battery) 구현 및 개발 [2022-05-04]

2022-05-31
조회수 2018


음극재가 없는 리튬 전지(Anode-Free Li battery) 구현 및 개발

[REOB 리서치_에너지분야] 


Anode-Free Li battery의 원리 및 개발배경

음극재가 없는 리튬 전지(Anode-Free Li battery)는 휴대용 전자기기와 전기자동차에 사용되는 리튬 이온전지의 많은 부피와 무게를 차지하는 흑연 음극재를 없앤 차세대 구조 전지이다.

리튬이온 배터리의 원리를 간단히 설명하면 양극재에 있는 리튬이온이 전해액을 통해 분리막을 거쳐 음극재로 이동할 때 에너지가 충전되고, 반대로 음극재에서 양극재로 리튬이온이 이동하면 전기가 발생하는 구조다. 양극의 리튬이온은 충전 시 음극의 음극재로 삽입돼 저장된다.

흑연 음극재는 리튬 금속 비하여 무게당 용량, 부피당 용량이 크게 떨어지며 이 대신 음극 활물질을 저장해두는 구리 집전체만이 음극 부품으로 들어가며, 집전체 높은 에너지 밀도를 가지는 리튬 금속의 형태로 에너지가 저장된다.

업계 관계자는 “현재 흑연 음극재 배터리는 지난 30년 동안 최적화가 진행돼 더이상 성능 개선이 힘든 수준까지 왔다”며 “글로벌 배터리 업체들이 배터리 성능 개선을 위한 경쟁을 펼치면서 Anode-Free Li battery 같은 신개념 기술도 검토를 하는 것 같다. 다음 단계로 넘어가기 위한 과도기 같은 상태라 어떤 기술이 차세대 배터리 기술이 될지는 아직 알 수 없다”고 했다.

Anode-Free Li battery의 성능 및 장점

Anode-Free Li battery에서 3차원 음극 집전체 표면 일함수(고체의 표면에서 전자를 빼내는 데 필요한 에너지)를 높여 리튬 수지상 성장을 억제하고 집전체 표면에서 리튬과 전해액의 부식을 억제할 수 있음을 규명하고 음극재 없는 리튬 전지의 구동이 가능함을 검증했다.

또한, Anode-Free Li battery는 기존 리튬 이온전지와 비교해 60% 더 높은 에너지밀도를 구현할 수 있으며 LFP배터리와 비교해서 에너지밀도가 높지만 가격이 비싼 NMC 배터리도 에너지밀도를 기존의 600Wh 수준에서 1000Wh로 높이고 비용은 낮출 수 있다는 점 때문에 산업계와 학계에서 활발하게 연구가 진행되고 있다.

최근, Anode-Free Li battery의 음극 집전체 구조를 개발한 김희탁 KAIST 교수 연구팀은 개발된 집전체를 통해 기존 구리 집전체 대비 월등하게 높은 성능을 보여줬고, 동시에 극미량의 전해액만이 전지 내에 주입되는 희박 전해액 환경에서도 구동할 수 있음을 확인했다.

김희탁 KAIST 교수는 “음극 집전체는 기존 구리 집전체에 비해 월등히 높은 성능을 보였고, 극미량의 전해액을 전지 내에 주입해도 구동한다는 것을 확인했다”며 “리튬 이온전지의 궁극적 형태인 음극재 없는 리튬배터리 구현을 위한 집전체 기술을 새롭게 제시했다는 데 의미가 크다”고 했다.


Anode-Free Li battery의 전망 및 실현가능성

Anode-Free Li battery는 지난해 배터리 업계와 학계에서는 실현 가능성이 낮은 기술로 받아들여졌다. 한 배터리 업체 연구원은 “삼성기술원의 Anode-Free구조는 리튬금속을 양극재로 사용하는 전고체 배터리의 단점을 해결하기 위한 기술이었다”며 “현재 리튬배터리 구조에선 결국 어떤 음극재를 쓰느냐의 문제이지, 완전한 Anode-Free는 불가능하다고 본다”고 했다

배터리 업계에서는 무음극 배터리가 개발되면 관련 시장을 획기적으로 바꿔놓을 수 있다고 보고 있다. 국내외 배터리 업체가 무음극 배터리 개발에 관심을 보이는 이유다. 하지만 아직은 음극재를 없애거나 최소화했을 때 배터리가 구동하는지 구조적인 설계를 해보는 수준에 머물러 있어 상용화까지는 갈 길이 멀다. 업계 일각에서는 연구만 진행하다가 최종 상용화는 실패할 것이라는 전망도 적지 않다.



출처

-삼성·현대차·SK가 탐내는 꿈의 기술 ‘무음극 배터리’, 1회 충전에 800㎞ 주행 -송기영 기자-

https://biz.chosun.com/industry/company/2021/10/16/4OCFTUGZSZC77GXYQXM4GMRNJU/

-음극재 없는 고에너지밀도 리튬 배터리 구동 위한 음극 집전체 개발

http://www.mtnews.net/news/view.php?idx=11905

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