용량과 내구성을 높인 3D 리튬-이온 전지 기술의 상업화를 추구하는 콜로라

KISTI 『글로벌동향브리핑』 2009-12-18

콜로라도 주립대학의 청정에너지 상업화를 담당하고 있는 Cenergy는, 새로운 3D 구조를 이용하여 기존의 전지보다 1,000배까지 더 많은 기능적 표면적을 제공함으로써 훨씬 저렴하고 내구성도 10배나 길어지고 강력해진 리튬-이온 전지를 생산하기 위해 Prieto Battery를 공동 개발하였다. 2004년 Long등은 Chemical Reviews 지를 통해 리튬-이온 전지와 같이 전하를 포함한 전지를 구성하는 방법을 제안한 바 있는데, 스마트 더스트 모트(smart dust mote)장치를 구현하기 위한 몇 가지 이론적인 3D 구조를 제안함으로써 어느 장비에도 적용이 가능하면서도 충분한 전력 공급이 가능한 매우 높은 용량을 달성하고자 하였다. 콜로라도 대학의 Amy Prieto 박사는 Long 등이 제안했던 이론적 3D 구조 개발에 참여했다. 리튬-이온 전지는 양극 및 음극 모두에 insertion process을 이용함으로써 rocking chair battery이라는 용어를 사용하게 되었다. 리튬 이온이 평행한 판상으로 배열된 전극 사이를 이동하는 것은 일차원적 현상이다. 이온의 느린 수송에 의한 전력손실을 최소화하기 위해, 삽입 전극의 두께 및 거리를 최소한으로 줄여야 한다. 이 접근방식은 유용한 전지를 만들려는 노력과는 반직관적인 것처럼 보인다. 왜냐하면 전극의 두께를 줄이는 것은 에너지 용량을 떨어트리고 작동시간도 단축시키기 때문이다. 따라서 전지 설계는 가용한 에너지와 내부 전력손실 없이 이 에너지를 방출하는 능력 사이에서 결정된다. 최근 현재 사용되고 있는 2차원 전지의 전극재료를 3차원 아키텍처로 재구성함으로써 전지성능 개선이 실현되었다. 이런 접근법의 일반적 전략은 전력과 에너지밀도를 최대화 하면서도 낮은 이온 수송거리를 유지하는 셀 구조를 설계하는 것이다. 비록 이 목표를 이룰 수 있는 많은 가능한 아키텍처가 있겠지만, 3D 전지의 명백한 특성은 미세적 수준에서 전극간 이동이 거의 1차원 적이면서도 셀의 에너지 밀도를 높이기 위해 복잡한 기하학적 구조를 갖는다는 점이다. Prieto 박사는 전착공정(electrodeposition)을 이용해, anode를 구성하는 전지의 첫 번째 핵심부품인 나노와이어를 성장시킨다. 그녀는 또한 고분자 전해질로 이 작은 구조물을 코팅하기 위해 전착공정을 다시 한번 이용한다. Cathode 재료는 코팅된 나노와이어 주변에 구성됨으로써 3차원 전지가 완성된다. Anode를 구성하는 나노와이어는 기존의 전지가 갖는 표면적보다 10,000배나 크다. 3차원 와이어에서 이런 높은 수치는 다른 전지들보다 훨씬 넓은 기능적 표면적을 제공하게 해 준다. Prieto에 따르면, 전착제조공정은 빠르고 저렴하기 때문에 심장박동기에서 자동차에 이르는 모든 분야에서 사용이 가능한 전지를 생산할 수 있도록 규모를 조정할 수 있다고 한다. Prieto Battery는 Cenergy가 생산한 첫 작품이 된다. 이 회사의 연구개발최고책임자인 Prieto는 내년 초에 이 새로운 전지의 원형(prototype)을 발표할 수 있을 것으로 기대하고 있다. 콜로라도대학의 기술이전사무소는 Prieto Battery 기술에 관한 모든 사항을 포괄하는 특허를 지난 2월 신청하였으며, 현재 Prieto Battery가 독점적 권리를 가지고 있다. 첨부그림: 전하 삽입 전지를 위한 예상되는 3D 아키텍처의 예로, (a)는 적층 실린더형 전극을, (b)는 전극의 적층판 배열을, (c)는 cathode 물질로 자유공간이 채워져 있으면서 얇은 층의 전해질로 코팅된 anode의 로드 배열 (Prieto Battery 컨셉), (d) 비정형적 스폰지형 구조를 도식화 하였다. 3D architectures.png 출처 : http://www.greencarcongress.com/2009/12/prieto-20091217.html#more