나노복합 전극촉매가 5분 충전 시간으로 리튬-황 배터리를 재구상할 수 있다

리튬 이온에서 리튬-황으로

리튬 이온 배터리는 지금까지 배터리 시장을 장악해 왔습니다. 이는 높은 에너지 밀도와 전자 소비재 시장에서 널리 사용·생산된 선점 효과 덕분입니다.

다른 용도에 적용하면 리튬 이온 배터리 용량의 한계가 드러나기 시작했습니다. 예를 들어, 리튬 이온 배터리는 재충전 속도가 비교적 느리며, 급속 충전이 가능하더라도 배터리 수명을 손상시키는 경향이 있습니다.

느린 충전은 전기차 소유자에게 지속적인 문제이며, 사람들이 전기차 채택을 꺼리는 이유로 자주 언급됩니다.

전기차가 현재 전력 용량 기준으로 배터리의 가장 큰 소비자가 되면서, 더 빠르게 충전되는 새로운 배터리 화학이 빠르게 인기를 얻고 리튬 이온 설계와 경쟁할 수 있습니다.

이와 같은 유망한 새로운 화학은 리튬-황 배터리입니다. 이전 설계는 리튬 이온보다 충전 속도가 더 느렸지만, 새로운 나노 소재를 통해 리튬-황 구동 전기차를 단 5분 만에 충전할 수 있게 될 수 있습니다.

리튬-황 장점 및 과제

새로운 리튬-황 배터리 기술은 중국과 호주의 대학 및 연구기관(애들레이드, 톈진, ANSTO, 그리고 청화) 연구원들에 의해 발견되어 Nature Nanotechnology에 “전이 금속/탄소 나노복합 전극촉매 엔지니어링을 통한 고출력 Li||S 배터리 개발”이라는 제목으로 발표되었습니다.

리튬-황 배터리는 오랫동안 놀라운 에너지 밀도를 제공하는 것으로 알려져 왔으며, Wh/kg(특정 에너지) 기준으로 고전적인 리튬 이온 배터리의 에너지보다 두 배 이상, Wh/L(특정 용량) 기준으로도 우수한 성능을 보입니다.

출처: Vertex Holdings

지금까지 리튬-황 배터리 프로토타입이 널리 채택되지 못한 주요 문제는 낮은 수명(리튬 이온의 1/3)과 매우 느린 충전 속도로, 완전 충전 시 1~10시간이 소요된다는 점이었습니다.

이는 전기차에 명백히 받아들일 수 없는 문제이며, 사용자는 이미 리튬 이온 배터리의 20~30분 충전에도 불만을 제기하고 있습니다.

(우리는 참고 기사 “모빌리티의 미래 – 배터리 기술”에서 리튬 이온에 대한 다양한 대체 화학을 논의했습니다.)

최근 Nature에 발표된 발견 덕분에 리튬-황의 한계가 급격히 변화했으며, 새로운 리튬-황 설계가 놀라운 성능을 약속합니다:

• 수명이 최소 1,000 사이클로, 리튬 이온과 유사합니다.
• 특정 에너지가 1,306 Wh/kg이며, 리튬 이온보다 10배 높고, 대부분의 고체 전해질 배터리 설계보다도 우수합니다.
• 충전/방전 사이클이 5분 미만입니다.

나노 규모에서 리튬-황 배터리 구축

그렇다면 연구원들은 어떻게 완벽해 보이는 배터리를 만들었을까요?

먼저, 그들은 원자/양자 수준에서 황 환원 반응(SRR)을 조사했으며, 이는 충전/방전 속도를 제어하는 핵심 부분입니다. 이를 위해 호주 싱크로트론(ANSTO) 입자 가속기를 이용해 금속 기반 촉매에서 원자 궤도 점유(황 원자 주위 전자의 위치)를 정확히 파악했습니다.

이전에는 분석되지 않았던 데이터를 바탕으로, 그들은 황 환원 반응(SRR)의 속도와 과정을 정확히 예측할 수 있었습니다.

이 예측 모델을 기반으로, 그들은 탄소와 철, 코발트, 니켈, 구리, 아연 등 다양한 금속 전극촉매 합금을 결합한 나노복합 전극촉매를 설계했습니다.

궁극적으로 코발트와 아연 합금이 선택되었으며, 위에서 설명한 뛰어난 성능을 보여줍니다.

다음은 무엇인가?

이러한 “슈퍼 배터리”의 개발은 교통부터 대규모 재생 에너지 채택에 이르기까지 강력한 유틸리티 규모 배터리를 필요로 하는 에너지 시스템 전기의 전환에 중요한 전환점이 될 수 있습니다.

하지만 아직 초기 단계이며, 리튬-황 배터리가 주류가 되기 전에 해결해야 할 몇 가지 질문이 있습니다.

희귀 소재

리튬 이온 배터리와 전기차 제조업체는 수년간 코발트를 사용하는 설계에서 벗어나려 노력해 왔습니다. 이는 코발트가 희귀 광물이며, 주요 공급원이 콩고이며, 코발트 생산이 아동 및 강제 노동, 인권 침해와 연관되어 있기 때문입니다.

따라서 전극촉매에 사용되는 코발트-아연 나노클러스터도 이 문제를 고려해야 합니다.

비용

높은 소재 비용은 업계가 코발트 기반 설계에서 벗어나 고체 전해질, 리튬-인산철(LFP) 또는 나트륨 이온 배터리를 선호하는 또 다른 이유입니다.

따라서 이는 코발트 기반 리튬-황 배터리의 문제점이 될 수 있습니다. 비록 이들이 리튬 이온보다 훨씬 효율적이고 에너지 밀도가 높더라도.

동시에, 매우 높은 특정 에너지는 동일한 전기차 주행 거리에서 필요한 배터리 수를 줄여줍니다.

이는 배터리가 현재 차량 무게의 25% 이상을 차지하고 있기 때문에 전기차의 무게를 크게 줄이며, 무게 감소는 주행 거리를 더욱 늘립니다.

실제 결정 요인은 리튬-황 배터리의 Wh당 가격과 배터리 팩 무게를 얼마나 낮출 수 있는가가 될 것입니다.

대량 생산

지난 10년간 배터리 기술에는 수많은 혁신적인 소재와 설계가 등장했습니다. 그러나 실험실에서 만든 코인 셀을 배터리 팩으로 전환하고, 이를 대량 생산 공정으로 만드는 일은 결코 간단하지 않습니다.

예를 들어, 고체 전해질 배터리의 상용화 시기가 QuantumScape, Volkswagen, Toyota, CATL, LG 등으로 인해 매년 반복적으로 연기되고 있습니다. (QS )

이는 기술이 작동하지 않기 때문이 아니라, 품질 문제 없이 저비용으로 대규모 고체 전해질 배터리를 대량 생산하는 것이 매우 어려운 것으로 입증되었기 때문입니다.

따라서 이 리튬-황 프로토타입을 상용 배터리로 전환하기 위해서는 아직 많은 단계가 남아 있을 가능성이 높습니다.

결론

배터리는 전기차가 처음 등장했을 때부터 약점이었으며, 전 세계 대학과 CATL, Tesla , LG 등 산업 리더들의 막대한 연구 노력으로 서서히 해결되고 있습니다.

어떤 설계나 화학이 최종적으로 우세할지는 불확실합니다. 가장 강력한 후보는 고체 전해질 배터리이며, 리튬-황 배터리는 고체 전해질 상용화 이후에 등장할 세대가 될 수 있습니다.

LFP와 나트륨 이온 배터리도 고성능보다 저비용에 초점을 맞춘 응용 및 제품에 사용될 수 있습니다.

물론, 전기차와는 매우 다른 요구 사항을 가진 유틸리티 규모 배터리를 위해 철-공기, 레독스, 중력, 콘크리트 배터리와 같은 더욱 이색적인 설계도 논의했으며, 이는 우리의 기사 “에너지 저장의 미래 – 유틸리티 규모 배터리 기술“와 “에너지 전환을 위한 비화학적 배터리 대안“에서 다루었습니다.

어쨌든 에너지 시스템의 미래는 대규모 전기화 방향으로 나아가고 있습니다. 배터리 기술도 매우 빠르게 발전하고 있어 전기차와 재생 에너지의 대량 채택을 가로막는 마지막 장벽을 제거할 가능성이 높습니다.