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리튬전지용 탄소 음극의 최근 동향

전문가 제언: ○ 리튬 2차전지 연구의 시작은 수송용도와 1차 에너지 위기가 있었던 60-70년대부터이다. 그러나 배터리에 대한 수요가 많음에도 불구하고 90년대 이전까지는 뚜렷한 결과가 없었다. 21세기에서도 가장 큰 도전은 에너지 저장이며 근대 에코사회의 진입은 저가와 환경 친화적인 에너지 저장과 전환시스템이 요구되고 있다.

○ 전지의 비에너지와 에너지밀도가 높은 목표에 도달하기 위한 전극재료의 2가지 기본적 요건은 높은 비전하(Ah/㎏)와 전하밀도(Ah/L) 및 각 전극의 산화 환원반응의 높고(음극) 낮은(양극) 표준전위가 그것이다. 더욱 충전 셀의 양/음극 반응은 수백의 충전 사이클을 유지할 수 있는 높은 가역성을 가져야 한다.

○ 이 글의 탄소 음극에서, 표준수소 전극 기준으로 리튬금속은 약 -3V의 전위를 나타내기 때문에 리튬이온 2차전지의 약 4V의 높은 작동전압은 흑연 음극에 주로 기인한다. 또한 흑연 음극의 단위중량당 용량은 372mAh/g으로 리튬금속음극의 이론 용량 3862mAh/g와 비교하면 1/10정도의 값을 가져 용량에 대한 제한이 있다.

○ 본문에도 있듯이 최근에는 박막 형태의 나노재료가 전기/광학분야에서 최근 흥미를 끌고 있다. 마이크로 전자공학과 박막 나노재료는 전기화학 에너지 저장 분야에서 중요성이 점증하고 있다. 각 셀은 음극과 양극이 있고 그 사이에 전해질이 들어간다. 보통 주어진 질량과 부피에 저장되는 에너지의 양은 가능한 한 높아야 한다.

○ 대부분의 탄소 전극은 초기 비가역용량이 상당히 크다. 따라서 산 세척처리와 표면 코팅 등으로 카본표면 결정구조와 미세구조를 변화시키는 표면개질을 일으키거나, CO2로 표면 처리하여 비가역용량을 최소화하는 연구가 있다. 또한 리튬 표면 위에 생성된 덴드라이트(dendrite) 같은 부도체막은 전지수명과 안전성 문제를 초래하는데, 이는 리튬 삽입 화합물로 대체를 시도하는 방법 등이 있다.

저자: T. Abe
자료유형: 학술정보