금속 불화물 고체 폴리머 음극 전해질 활용

최근 몇 년간 리튬 이온 배터리 수요 증가로 현재 배터리 설계에 필수적인 코발트 및 니켈 가격이 급등했다.

미국 조지아 공대(Georgia Institute of Technology) 연구원들은 희소 금속에 대한 의존도가 적은 리튬 기반 배터리 대체 설계를 고안했다. 고가의 금속과 기존의 액체 전해질을 저렴한 전이 금속으로 대체하는 유망한 새로운 음극 및 전해질 시스템으로 플루오라이드 및 고체 중합체 전해질을 개발했다.

조지아 공대 재료공학부 글렙 유신(Gleb Yushin) 교수는 “전이 금속 불화물로 만들어진 전기는 오랫동안 안정성 문제와 빠른 고장으로 차세대 배터리에 사용되는데 한계가 있었다. 그러나 우리는 고체 고분자 전해질과 함께 사용될 때 금속 불화물은 더 높은 온도에서도 놀라운 안정성을 보여 결국 더 안전하고 가벼우며 저렴한 리튬 이온 배터리로 이어질 수 있음을 보여 주었다”고 말했다.

연구는 ‘Nature Materials‘ 지에 발표됐다.

Credit: Allison Carter.

전형적인 리튬-이온 배터리에서, 에너지는 양극과 음극으로 리튬과 이온이 이동하는 동안 방출된다. 음극은 일반적으로 리튬과 코발트, 니켈 및 망간과 같은 전이 금속을 포함한다. 이온은 액체 전해질을 통해 전극 사이에서 흐른다.

연구에서는 불화 철 활성 물질과 고체 고분자 전해질 나노 복합체로 새로운 유형의 음극을 제작했다. 불화 철은 전통적인 코발트 또는 니켈 기반 음극의 리튬 용량의 두 배 이상을 가지고 있다. 또한 철은 코발트보다 300 배 저렴하고 니켈보다 150 배 저렴하다.

이러한 캐소드를 제조하기 위해, 연구자들은 고체 폴리머 전해질을 조립식 불화 철 전극에 침투시키는 공정을 개발했다. 그런 다음 전체 구조물을 열간 압착해 밀도를 높이고 공극을 줄인다.

중합 체계 전해질의 2가지 주요 특징은 사이클링하면서 불화 철의 팽창을 구부리고 수용하는 능력 및 불화 철과 매우 안정적이고 유연한 간기를 형성하는 능력이다. 전통적으로, 이러한 팽창 및 대규모 거부 반응은 이전 배터리 설계에서 불화 철을 사용하는 데있어 주요 문제였다.

유신은 “불화 철로 만들어진 음극은 고용량, 낮은 재료비 및 폭넓은 활용성으로 인해 큰 잠재력을 가지고 있다”며 “그러나 액체 전해질과의 거부 반응 및 기타 분해 문제뿐만 아니라 사이클링 동안 부피 변화는 이전에 그 사용성을 제한했다. 탄성이 있는 고체 전해질을 사용하면 이러한 많은 문제를 해결할 수 있다” 고 말했다.

연구원들은 122도의 고온에서 300회 이상의 충전 및 방전주기에 걸친 성능을 분석하기 위해 새로운 고체 배터리 변형을 테스트, 실온에서 냉각 된 상태에서도 금속 불화물을 사용해 이전 설계보다 성능이 우수하다는 점에 주목했다.

연구원들은 배터리 성능 향상의 핵심이 고체 고분자 전해질이라는 것을 발견했다. 금속 플루오라이드를 사용하려는 이전의 시도에서, 금속 이온이 캐소드 표면으로 이동해 액체 전해질에 용해돼 특히 고온에서 용량 손실을 야기하는 것으로 여겨졌다.

또한, 금속 불화물은 전지가 화씨 100도 이상에서 작동 할 때 액체 전해질의 분해를 촉진시켰다. 그러나 고체 전해질과 음극 사이의 연결에서 이러한 용해는 일어나지 않으며 고체 전해질은 현저하게 안정적으로 유지돼 이러한 분해를 방지한다고 연구진은 밝혔다.

연구원들은 향후 빠른 충전을 가능하게하고 또한 대형 배터리 공장에서 사용되는 기존의 셀 제조 기술과 완전히 호환되는 새로운 디자인에 고체 및 액체 전해질을 결합시키기 위해 새롭고 개선 된 고체 전해질을 개발하는 것을 목표로하고 있다.

연구는 미국 육군연구소(Army Research Office)에서 지원했다.


*관련 논문 및 저자

Qiao Huang, Kostiantyn Turcheniuk, Xiaolei Ren, Alexandre Magasinski, Ah-Young Song, Yiran Xiao, Doyoub Kim, and Gleb Yushin, “Cycle Stability of Conversion-Type Iron Fluoride Lithium Battery Cathode at Elevated Temperatures in Polymer Electrolyte Composites,” (Nature Materials, Sept. 2019). https://doi.org/10.1038/s41563-019-0472-7