Georgia Institute of Technology의 Hailong Chen이 이끄는 다기관 연구팀은 리튬 이온 배터리(LIB)의 성능을 크게 향상시키고 전기 자동차(EV) 시장과 대규모 에너지 저장 시스템에 혁명을 일으킬 것으로 예상되는 새로운 비용 효율적인 음극을 개발했습니다.
"사람들은 기존 음극 물질을 대체할 수 있는 더 저렴하고 지속 가능한 양극 물질을 오랫동안 찾고 있었습니다. 우리가 그것을 발견했다고 생각합니다."라고 George Woodruff 기계공학부 및 재료 과학 및 공학부의 부교수인 Chen이 말했습니다.
이 혁신적인 소재는 염화제2철(FeCl3)로 일반 양극 소재 대비 가격이 1~2%에 불과하지만 동일한 양의 전기를 저장할 수 있습니다. 음극 재료는 용량, 에너지 및 효율성에 영향을 미치며 배터리 성능, 수명 및 경제성에 중요한 역할을 합니다.
Chen은 "우리의 음극은 전기 자동차 시장과 전체 리튬 이온 배터리 시장을 크게 개선할 게임 체인저입니다."라고 말했습니다. 그의 팀은 Nature Sustainability에서 자신의 연구 결과를 발표했습니다.
소니는 1990년대 초 처음으로 리튬이온 배터리를 상용화하면서 스마트폰, 태블릿 등 개인용 전자기기의 폭발적인 성장을 촉발시켰습니다. 이 기술은 결국 전기 자동차용 연료로 발전하여 신뢰할 수 있고 재충전이 가능한 고밀도 에너지원을 제공합니다. 그러나 개인용 전자제품과 달리 전기자동차 등 대규모 에너지 사용자는 리튬 배터리 가격에 특히 민감합니다.
배터리는 현재 전기 자동차 총 비용의 약 50%를 차지하므로 이러한 청정 에너지 자동차는 온실 가스를 배출하는 내연 기관 자동차보다 더 비쌉니다. 첸 박사 팀의 발명은 이러한 상황을 바꿀 수 있습니다.
더 나은 배터리를 만드세요
기존 알카라인 및 납산 배터리와 비교하여 리튬 이온 배터리는 더 작은 부피에 더 많은 에너지를 저장하고 충전 간 장치에 더 오랜 시간 동안 전력을 공급할 수 있습니다. 그러나 리튬 배터리에는 코발트, 니켈 등 준귀금속 원소를 포함한 고가의 금속이 포함되어 있어 제조 비용이 많이 든다.
현재까지 리튬전지용 양극재 상용화에 성공한 양극재는 4종에 불과하다. 첸 박사의 기술은 다섯 번째 기술이 될 것이며, 이는 전고체 리튬이온 배터리 개발이라는 배터리 기술의 큰 진전을 의미한다.
기존 리튬 이온 배터리는 액체 전해질을 사용하여 리튬 이온을 운반하여 에너지를 저장하고 방출합니다. 액체 리튬 이온 배터리는 저장할 수 있는 에너지 양에 엄격한 제한이 있으며 누출되거나 화재가 발생할 수 있습니다. 하지만 전고체 리튬 배터리는 고체 전해질을 사용하기 때문에 배터리의 효율성과 신뢰성이 크게 향상되어 더 안전하고 더 많은 에너지를 저장할 수 있습니다. 이 배터리는 아직 개발 및 테스트 단계에 있지만 크게 개선될 것입니다.
전 세계의 연구원과 제조업체가 전고체 기술을 구현하기 위해 분투하는 동안 Chen과 그의 동료들은 저렴하고 지속 가능한 솔루션을 개발했습니다. 염화제2철 양극, 고체 전해질 및 리튬 금속 양극을 사용하는 전체 배터리 시스템 비용은 현재 리튬 배터리의 30~40%에 불과합니다.
Chen은 "이는 전기 자동차를 내연기관 자동차보다 훨씬 저렴하게 만들 뿐만 아니라 그리드의 탄력성을 향상시키는 새롭고 유망한 형태의 대규모 에너지 저장 장치를 제공할 것입니다. 또한 우리의 음극은 전기 자동차 시장의 지속 가능성과 공급망 안정성을 크게 향상시킬 것"이라고 말했습니다.
새로운 발견을 위한 확실한 출발점
음극 물질로서 FeCl3에 대한 Chen의 관심은 그의 실험실의 고체 전해질 물질에 대한 연구에서 비롯되었습니다. 2019년부터 그의 연구실에서는 염화물 기반 고체 전해질과 기존 상용 산화물 기반 음극을 사용하여 전고체 배터리를 만들려고 했습니다. 결과는 매끄럽지 않았습니다. 양극과 전해질 재료가 호환되지 않았습니다.
연구원들은 염화물 기반 음극이 염화물 전해질과 더 잘 결합되어 더 나은 배터리 성능을 제공할 수 있다고 믿습니다. Chen은 "우리는 결정 구조가 리튬 이온을 저장하고 운반하는 데 적합할 수 있고 다행히도 예상대로 기능했기 때문에 시도해 볼 가치가 있는 후보 물질(FeCl3)을 찾았습니다."라고 말했습니다.
현재 전기차에 가장 많이 사용되는 양극재는 산화물인데, 이를 위해서는 고가의 니켈과 코발트가 많이 필요하다. 이러한 무거운 원소는 독성이 있을 수 있으며 환경 문제를 일으킬 수 있습니다. 반면 첸 박사팀의 음극에는 철(Fe)과 염소(Cl)만 포함됐다. 이 원소들은 풍부하고 값싸며 강철과 식염에 널리 사용된다.
예비 테스트에서 그들은 FeCl3가 훨씬 더 비싼 다른 음극과 같거나 더 나은 성능을 발휘한다는 것을 발견했습니다. 예를 들어 일반적으로 사용되는 음극 LiFePO4(인산철리튬 또는 LFP)보다 더 높은 전압에서 작동합니다. 이는 정원 호스의 수압과 유사하게 장치에 연결될 때 배터리가 제공하는 전력입니다.
이 기술이 전기차 상용화까지는 5년도 채 안 걸릴 것으로 보인다. 당분간 연구팀은 염화제이철 및 관련 물질에 대한 연구를 계속할 예정이다. 이 연구는 Chen과 연구의 첫 번째 저자인 Liu Zhantao 박사후 연구원이 주도했습니다. 공동 작업자에는 Georgia Tech의 Woodruff School(Ting Zhu) 및 지구 및 대기 과학 대학(Yuanzhi Tang)의 연구원, Oak Ridge 국립 연구소(Jue Liu) 및 휴스턴 대학교(Shuo Chen)의 연구원이 포함됩니다.
Chen은 "우리는 실험실에서 재료를 가능한 한 완벽하게 만들고 기본 작동 메커니즘을 이해하고 싶습니다."라고 말했습니다. "그러나 우리는 기술을 확장하고 이를 상용 애플리케이션으로 발전시킬 수 있는 기회에 열려 있습니다."
/ScitechDaily에서 편집됨
DOI:10.1038/s41893-024-01431-6