높은 비에너지를 갖는 나노구조 리튬 설파이드/실리콘 배터리

KISTI 미리안『글로벌동향브리핑』 2010-02-27

리튬 설파이드(Li2S)/ mesoporous carbon 복합체 전극(cathode) 및 실리콘(Si) 나노와이어 전극(anode)로 구성된, 리튬 금속을 사용하지 않은 높은 비에너지(specific energy)를 갖는 새로운 개념증명적(proof-of-concept) 배터리가 스탠퍼드대학의 Yi Cui 박사가 이끄는 연구팀에 의해 개발되었다. 이 새로운 배터리는 이론적 에너지 밀도인 1,550 Wh/kg을 나타냈으며, LiCoO2 cathode 및 흑연 anode(~410 Wh/kg)를 사용하는 현재하는 리튬 이온 배터리의 이론적 에너지 밀도보다 4배나 높다. 활성 전극 물질의 질량을 기준으로 할 때 초기 방전 비에너지가 630 Wh/kg 인 것으로 나타났다. 양측 전극에 나노구조의 설계를 적용함으로써 리튬 이온 배터리에 황 화합물과 실리콘을 사용함에 따른 문제점(예를 들어, 낮은 전기 전도도, 심각한 구조적 변형 및 부피 팽창)들을 극복하는데 도움이 될 것으로 기대된다. 이 독창적인 배터리에 대한 내용은 Nano Letters지 2월 25일 자에 온라인으로 게재되었다. 저자를 포함한 많은 연구팀들이 anode 물질로써 사용할 실리콘 개발에 참여해 왔다. 이는 흑연 anode보다 10배 이상이며 다양한 nitride 및 산화물질보다 훨씬 높은 이론 충전용량(4,200 mAh/g)과 낮은 방전 전위 특성을 보이기 때문이다. 다양한 Si 나노구조의 발견은, 충전과 방전 사이클 동안 리튬 이온의 유출입에 따른 재료의 400%에 이르는 큰 부피변화를 해소하고자 하는데 초점이 맞추어져 있으며, 이런 부피변화는 분쇄와 용량감쇠(capacity fading)를 일으킨다. Cathode의 상대적으로 낮은 충전용량은 에너지 밀도를 높이는 것을 방해하는 요인으로 남아 있다. 전이금속 산화물과 인산염을 기반으로 하는 현재의 cathode 물질은 이론 용량 한계가 300 mAh/g이며, 실제 사용할 수 있는 최대 용량은 210 mAh/g까지 보고된 바 있다. 2Li + S → Li2S에 따른 산화환원 과정이 일어나는 리튬/황 시스템은 이런 용량 한계를 극복할 수 있는 잠재력이 있다. 비록 이 시스템의 평균 전압이 Li/Li+에 비해 2.2V에 불과하지만(기존 리튬 이온 배터리 전압의 60% 수준임), 황의 이론 용량은 1,672 mAh/G로 리튬/황 배터리 조합을 통해 이론적으로 2,600 Wh/kg에 도달할 수 있다. 그러나 황을 기반으로 하는 cathode는 몇 가지 문제점이 있는데, 낮은 전기전도도, 반응 동안의 큰 부피 및 구조적 변화 및 전해질 속에서 리튬 폴리설파이드(lithium polysulfide)의 용해 등이다. 이런 문제를 해결하기 위해 전극 코팅, 전도성 첨가물 및 전해질의 개선을 포함한 방법이 시도되어 왔다. 최근 황/ mesoporous carbon 복합체는 적정한 내구성과 1,000 mAh/g을 초과하는 용량을 보여주었다. 이런 장점에도 불구하고 리튬 원소를 리튬/황 배터리에서 anode로 사용하는 것은 안전성 문제로 제약을 받고 있다. 리튬/황 시스템에서의 안전 문제에 대한 한 가지 방법은 catode에 리튬 설파이드(lithium sulfide), anode에는 고용량 물질을 사용하는 것이다. 그러나 이론적 용량이 1,166 mAh/g임에도 불구하고, 리튬 설파이드의 낮은 전기전도도가 기존의 물질에 비해 경쟁력을 가질 수 없을 만큼 실제 용량을 낮추어 버리는 결과를 낳고 있다. 연구팀은 이전에 연구를 수행했던 실리콘 나노와이어 전극과 CMK-3 mesoporous carbon 입자의 구멍을 채우고 있는 Li2S로 구성된 나노복합체로 구성된 cathode를 결합시켰다. CMK-3 탄소는 7-8nm 두께의 탄소 나노막대기로 육각형 모양이며 3-4nm 크기의 구멍에 의해 분리되어 있다. 상호연결된 탄소막대기는 전자적 접근을 가능하게 하는 전도성 경로를 제공하는 역할을 하며, 미세마이크로(submicrometer) 크기의 탄소 입자는 리튬의 확산경로를 단축시킨다. 결과적으로 Li2S 기반의 cathode가 갖는 느린 역학적 문제가 해결된 셈이다. 비록 Li2Si 시스템이 높은 비에너지를 갖지만, full-cell 의 비용량은 half-cell의 비용량보다 더 빨리 소멸한다. 이것은 full-cell에서 리튬 이온의 공급이 제한되거나, 각 전극의 전압이 개별적으로 통제되기 않기 때문일 것으로 저자는 예측하고 있다. Resources: Yuan Yang, Matthew T. McDowell, Ariel Jackson, Judy J. Cha, Seung Sae Hong and Yi Cui (2010) New Nanostructured Li2S/Silicon Rechargeable Battery with High Specific Energy. Nano Lett., Article ASAP doi: 10.1021/nl100504q New battery.png Theoretical specific energy.png 출처 : http://www.greencarcongress.com/2010/02/yang-20100226.html#more