리튬메탈 배터리 편집하기
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− | [[파일:제너럴모터스가 공개한 리튬 메탈 배터리 프로토타입.png|썸네일|300픽셀|오른쪽|제너럴모터스가 공개한 | + | [[파일:제너럴모터스가 공개한 리튬 메탈 배터리 프로토타입.png|썸네일|300픽셀|오른쪽|제너럴모터스가 공개한 리튬 메탈 배터리 프로토타입]] |
− | ''' | + | '''리튬 메탈 배터리'''는 리튬이온 배터리의 음극재인 흑연이나 실리콘을 리튬 메탈로 대체한 제품이다. 에너지 밀도를 1000Wh/L 이상으로 높일 수 있다. '''[[리튬이온 배터리]]'''보다 두 배가량 효율적이다. 주행거리 확대나 차량 경량화에 따른 에너지 절감이 가능하다. 리튬메탈 배터리를 상용화하기 위해서는 충전 과정에서 리튬 이온 결정이 생기는 것을 막는 기술이 필요하지만 아직 개발하는 중이다. 이 결정이 생기면 열을 일으켜 불이 날 가능성이 있다.<ref>김벼리 기자, 〈[https://www.etoday.co.kr/news/view/1914954 최태원-정의선 공유한 '리튬-메탈 배터리'는?]〉, 《이투데이》, 2020-07-07</ref> |
− | 2021년 3월, [[제네럴모터스]](GM)가 최대 965km(600마일) 주행이 가능한 신규 | + | 2021년 3월, '''[[제네럴모터스]]'''(GM)가 최대 965km(600마일) 주행이 가능한 신규 리튬 메탈 배터리를 선보여 화제다. 신형 GMC 허머 EV에 탑재되는 이 배터리는 약 350마일(563km)의 주행거리를 제공하며 모델에 따라서는 450마일(724km)을 넘어서는 것으로 알려졌다. 새로운 배터리는 액체 전해질을 사용해 에너지 밀도는 두 배로 높아져 주행가능거리는 최대 600마일까지 확대되며, 비용은 최대 60% 저렴해질 것으로 예상된다. GM은 미시간주 워렌에 위치한 글로벌 기술연구소에서 15만마일(24만km)에 달하는 배터리 모의실험을 끝냈으며 이는 지난 2015년, 미국 배터리 개발업체 [[솔리드에너지시스템]](SES) 투자 결정에 이은 결과물이이라는 설명이다.<ref>김미영 기자, 〈[http://www.gpkorea.com/news/articleView.html?idxno=72282 GM, ‘최대 965km’ 신규 리튬 메탈 배터리 선보여...비용 60%↓]〉, 《지피코리아》, 2021-03-14</ref> |
− | [[SK이노베이션]]도 2020년부터 노벨상 수상자 [[존 굿이너프]] 미국 텍사스대학교 교수와 손잡고 | + | '''[[SK이노베이션]]'''도 2020년부터 노벨상 수상자 '''[[존 굿이너프]]''' 미국 텍사스대학교 교수와 손잡고 국개 최초로 리튬 메탈 배터리 개발에 나섰다.<ref>유일한 기자, 〈[http://www.motormag.co.kr/2263 SK이노베이션, 차세대 리튬메탈 배터리 개발한다]〉, 《모터매거진》, 2020-08-03</ref> |
== 개요 == | == 개요 == | ||
− | + | 리튬 메탈 배터리는 리튬금속을 음극으로 사용하는 전지이다. 리튬금속은 현재까지 파악된 음극물질 중 최상급의 에너지 밀도를 갖고 있다. 또한 산화 환원 전위는 매우 낮아 경량화 및 대용량화가 필요한 2차전지에 가장 적합한 소재로 기대를 모은 바 있다. 하지만 리튬금속 표면에서 발생하는 [[덴트라이트]]로 인해 전극 단락과 폭발 가능성이 제기되며 흑연 음극을 사용하는 리튬이온 배터리가 먼저 상용화됐다. | |
음극 소재 중 하나인 리튬금속은 3,842mAh/g의 높은 이론 에너지 밀도와 함께 매우 낮은 산화환원전위(-3.04V vs. S.H.E) 및 0.59g/㎤의 밀도를 갖는 반면, 흑연 음극 재료는 372mAh/g의 이론 에너지 밀도와 리튬금속 음극에 비해 높은 산화환원전위와 밀도를 갖는다. | 음극 소재 중 하나인 리튬금속은 3,842mAh/g의 높은 이론 에너지 밀도와 함께 매우 낮은 산화환원전위(-3.04V vs. S.H.E) 및 0.59g/㎤의 밀도를 갖는 반면, 흑연 음극 재료는 372mAh/g의 이론 에너지 밀도와 리튬금속 음극에 비해 높은 산화환원전위와 밀도를 갖는다. | ||
− | 따라서 흑연 음극을 리튬 음극으로 바꿀 경우, 기존 LiB의 무게당 에너지 밀도를 크게 할 수 있다. 기존 리튬이온 배터리 양극과 LiM 음극을 사용하는 | + | 따라서 흑연 음극을 리튬 음극으로 바꿀 경우, 기존 LiB의 무게당 에너지 밀도를 크게 할 수 있다. 기존 리튬이온 배터리 양극과 LiM 음극을 사용하는 리튬 메탈 배터리가 상용화된다면, 멀지 않은 미래에 높은 에너지 밀도 요구를 충족하는 새로운 이차전지를 볼 수 있을 것으로 기대를 모으고 있다.<ref>정한교 기자, 〈[https://www.industrynews.co.kr/news/articleView.html?idxno=35372 국내 연구진, 리튬금속전지 체질개선으로 상용화 앞당겨]〉, 《인더스트리뉴스》, 2019-11-19</ref> |
− | == | + | == 역사 == |
리튬금속 배터리의 역사는 1970년대 초에 시작되었으며, 오늘날 널리 쓰이는 리튬이온 배터리의 개발과 밀접하게 관련되어 있다. | 리튬금속 배터리의 역사는 1970년대 초에 시작되었으며, 오늘날 널리 쓰이는 리튬이온 배터리의 개발과 밀접하게 관련되어 있다. | ||
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1980년대 초가 되자 석유위기가 끝났다. 엑손의 새 경영진은 연매출 1억 달러 규모의 시장이 될 전망이 없는 사업에서 철수하기로 했다. 이 회사는 전기차 및 배터리 개발을 중단했다. 휘팀엄은 "회사가 보기에 이 분야는 너무 작은 시장이었다"라고 말했다. | 1980년대 초가 되자 석유위기가 끝났다. 엑손의 새 경영진은 연매출 1억 달러 규모의 시장이 될 전망이 없는 사업에서 철수하기로 했다. 이 회사는 전기차 및 배터리 개발을 중단했다. 휘팀엄은 "회사가 보기에 이 분야는 너무 작은 시장이었다"라고 말했다. | ||
− | + | 리튬 메탈 배터리는 납축전지보다 훨씬 우수했지만, 실험실에서 빈번히 화재를 일으키는 등 엑손팀이 해결하지 못한 내재적 단점도 있었다. | |
− | + | 리튬 메탈 배터리의 상용화를 시도한 다른 사람들도 비슷한 문제에 부딪혔다. 1980년대 브리티시컬럼비아대의 몰리에너지(Moli Energy)는 노트북 및 휴대폰용 2.2V 리튬 메탈 배터리를 개발했다. 그러나 1989년 일본에서 휴대전화에 불이 나 사용자가 화상을 입는 사고가 일어났다. 조사 결과 배터리가 원인으로 드러났고, 결국 수천 대의 휴대폰이 리콜되고 회사는 법정관리에 들어갔다. | |
한편, 휘팅엄의 연구에 기반한 후속 연구도 이뤄지고 있었다. 현재 텍사스주립 오스틴스대학 교수로 재직 중인 존 구디너프(John Goodenough)는 보다 많은 에너지를 저장할 수 있는 양극을 개발하기 위해 이황화티타늄 대신 산화코발트를 사용했다. 메이조대학(Meijo)의 아키라 요시노(Akira Yoshino) 교수는 순수한 리튬 음극을 코크스(다른 형태의 탄소)로 대체했다. 이 물질은 리튬 이온을 많이 저장할 수 있으면서도 화재 위험은 줄였다. 마지막으로 소니 연구원들은 이 조각들을 짜맞춰서 1992년 최초의 상용 리튬이온 배터리를 개발해냈다. 휘팅엄, 구디너프, 요시노는 이러한 혁신에 기여한 공로로 2019년 노벨화학상을 공동 수상했다. | 한편, 휘팅엄의 연구에 기반한 후속 연구도 이뤄지고 있었다. 현재 텍사스주립 오스틴스대학 교수로 재직 중인 존 구디너프(John Goodenough)는 보다 많은 에너지를 저장할 수 있는 양극을 개발하기 위해 이황화티타늄 대신 산화코발트를 사용했다. 메이조대학(Meijo)의 아키라 요시노(Akira Yoshino) 교수는 순수한 리튬 음극을 코크스(다른 형태의 탄소)로 대체했다. 이 물질은 리튬 이온을 많이 저장할 수 있으면서도 화재 위험은 줄였다. 마지막으로 소니 연구원들은 이 조각들을 짜맞춰서 1992년 최초의 상용 리튬이온 배터리를 개발해냈다. 휘팅엄, 구디너프, 요시노는 이러한 혁신에 기여한 공로로 2019년 노벨화학상을 공동 수상했다. | ||
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2000년대 후반에는 다양한 신생 기업들이 이 기술을 다시 추구하기 시작했다. 그러나 그것은 가시밭길이 되었다. | 2000년대 후반에는 다양한 신생 기업들이 이 기술을 다시 추구하기 시작했다. 그러나 그것은 가시밭길이 되었다. | ||
− | 일부는 이미 문을 닫았다. 2007년 설립된 [[시오]](Seeo)는 독일 [[보쉬]]가 인수했지만, 보쉬는 나중에 배터리 연구를 중단했다. 2011년 프랑스에 본사를 둔 [[볼로레]](Bolloré)는 최초로 고체 | + | 일부는 이미 문을 닫았다. 2007년 설립된 [[시오]](Seeo)는 독일 [[보쉬]]가 인수했지만, 보쉬는 나중에 배터리 연구를 중단했다. 2011년 프랑스에 본사를 둔 [[볼로레]](Bolloré)는 최초로 고체 리튬 메탈 배터리를 차량에 장착하고 블루카(Bluecar)라는 차량공유 서비스를 출시했다. 그러나 이들이 사용한 [[폴리머]] 기반 전해질은 고온에서만 작동하기 때문에, 이 배터리는 승용차에만 쓸 수 있었다. |
− | 그러나 다른 몇몇 회사들은 최근 보다 많은 발전을 이룩했다. 특히 2020년 12월 '''[[ | + | 그러나 다른 몇몇 회사들은 최근 보다 많은 발전을 이룩했다. 특히 2020년 12월 '''[[퀀텀스페이스]]'''의 설명회 이틀 후, 2012년 설립된 콜로라도주 스타트업 '''[[솔리드파워]]'''(Solid Power)가 오늘날 전기차 배터리의 성능을 능가하는 22층 리튬 메탈 배터리의 시제품을 이미 생산 중이라고 발표했다. |
− | 그리고 2021년 1월 미국 에너지부의 ARPA-E 사업부는 배터리 기업 24M 및 카네기멜론대 비스와나탄의 전기비행기용 | + | 그리고 2021년 1월 미국 에너지부의 ARPA-E 사업부는 배터리 기업 24M 및 카네기멜론대 비스와나탄의 전기비행기용 리튬 메탈 배터리 연구에 900만 달러를 투자한다고 발표했다. 전기비행기용 배터리는 단위면적당 저장되는 에너지와 방출할 수 있는 동력이 중요하다. |
− | 모든 | + | 모든 리튬 메탈 배터리 개발사들의 관건은 화재와 수지상돌기를 방지하면서도 이온이 쉽게 통과되고 배터리의 성능이 저하되지 않는 전해질 물질을 찾아내는 것이다. 이것이 바로 퀀텀스페이스가 자신들의 성과라고 주장하는 것이다. |
이 회사의 기원은 2009년으로 거슬러 올라간다. 싱은 자신이 공동 창업한 네트워크 기술 기업 인피네라(Infinera) 사장 자리에서 물러날 준비를 하고 있었다. 그러면서 스탠포드대 박사후 연구원 팀 홈(Tim Holme)과 그의 지도교수 프리드리히 프린츠(Friedrich Prinz)가 연구한 새로운 배터리 소재 기술을 기반으로 그들과 창업을 논의하기 시작했다. | 이 회사의 기원은 2009년으로 거슬러 올라간다. 싱은 자신이 공동 창업한 네트워크 기술 기업 인피네라(Infinera) 사장 자리에서 물러날 준비를 하고 있었다. 그러면서 스탠포드대 박사후 연구원 팀 홈(Tim Holme)과 그의 지도교수 프리드리히 프린츠(Friedrich Prinz)가 연구한 새로운 배터리 소재 기술을 기반으로 그들과 창업을 논의하기 시작했다. | ||
− | 이들 삼총사는 이듬해 | + | 이들 삼총사는 이듬해 퀀텀스페이스를 공동 창업하여 에너지 밀도가 높은 고출력배터리 개발에 착수했다. 초기에는 전전자 배터리 (all-electron battery)로 알려진 완전히 새로운 형태의 배터리를 만들려 했지만, 개발은 처음 예상보다 어려웠다. |
− | 이 때쯤 회사는 클라이너퍼킨스(Kleiner Perkins와 코슬라벤처스(Khosla Ventures) 같은 벤처캐피탈에서 수천만 달러의 투자를 유치했다. 충분한 자금을 확보한 | + | 이 때쯤 회사는 클라이너퍼킨스(Kleiner Perkins와 코슬라벤처스(Khosla Ventures) 같은 벤처캐피탈에서 수천만 달러의 투자를 유치했다. 충분한 자금을 확보한 퀀텀스페이스는 리튬금속 기술로 조용히 방향을 전환할 수 있었다. |
회사는 이후 5년을 고체 전해질에 적합한 재료를 찾는데 보냈다고 싱은 말한다. 그런 다음 결함과 [[수지상돌기]] 방지에 필요한 구성과 제조 공정을 만들기 위해 또 5년을 보냈다. 이 회사는 자사 전해질 소재가 세라믹이라는 것 외에 다른 것은 밝히지 않고 있다. | 회사는 이후 5년을 고체 전해질에 적합한 재료를 찾는데 보냈다고 싱은 말한다. 그런 다음 결함과 [[수지상돌기]] 방지에 필요한 구성과 제조 공정을 만들기 위해 또 5년을 보냈다. 이 회사는 자사 전해질 소재가 세라믹이라는 것 외에 다른 것은 밝히지 않고 있다. | ||
− | 지금까지 발표된 | + | 지금까지 발표된 퀀텀스페이스의 모든 시험은 단층 배터리 셀에 대해 이루어졌다. 그 후 회사는 4층 셀을 생산해, 테스트에서 비슷한 결과를 얻었다고 발표했다. 차량에 적용하려면 수십 겹의 층이 들어찬 배터리를 생산해야 한다. 이는 마치 한 장의 카드를 다루다가 수십 장의 카드가 쌓인 카드 덱을 다루는 것과 같다. 그리고 수십년 간 배터리 시장의 절대 강자였던 리튬이온 배터리와 경쟁할 수 있도록 저렴한 배터리 제조법도 찾아야 한다. |
− | 이는 엔지니어링 측면에서 결코 만만한 과제가 아니다. 알버투스는 "개발은 여전히 진행 중입니다. 10년 간 3억 달러와 150명의 인력을 투입해 겨우 이 작은 카드하나를 완성한 것"이라며 "아직 수천 톤 규모의 배터리 공급은 요원한 상태이며, 그것은 정말 어려운 과제다"라고 말했다. 몇몇 배터리 연구자들은 4년 안에 생산 규모를 확장하고 안전 시험을 완료해 전기차에 적용할 수 있다는 | + | 이는 엔지니어링 측면에서 결코 만만한 과제가 아니다. 알버투스는 "개발은 여전히 진행 중입니다. 10년 간 3억 달러와 150명의 인력을 투입해 겨우 이 작은 카드하나를 완성한 것"이라며 "아직 수천 톤 규모의 배터리 공급은 요원한 상태이며, 그것은 정말 어려운 과제다"라고 말했다. 몇몇 배터리 연구자들은 4년 안에 생산 규모를 확장하고 안전 시험을 완료해 전기차에 적용할 수 있다는 퀀텀스페이스의 주장에 심각한 의구심을 가지고 있다. |
이 회사의 성과와 다른 스타트업의 고무적 발표를 감안할 때, 대부분의 배터리 업계 관계자들은 수십년 간 리튬금속이 극복하지 못한 문제가 해결될 가능성이 높다고 여기고 있다. MIT 테크놀로지 리뷰가 이 기술을 '2021 10대 미래 기술'에 선정한 이유이다. 그러나 휘팅엄이 엑손에 합류한 후 이루어진 모든 진전에도 불구하고 여전히 수년 간의 연구 개발이 더 필요하다는 것도 명확한 사실이다.<ref>James Temple | 이 회사의 성과와 다른 스타트업의 고무적 발표를 감안할 때, 대부분의 배터리 업계 관계자들은 수십년 간 리튬금속이 극복하지 못한 문제가 해결될 가능성이 높다고 여기고 있다. MIT 테크놀로지 리뷰가 이 기술을 '2021 10대 미래 기술'에 선정한 이유이다. 그러나 휘팅엄이 엑손에 합류한 후 이루어진 모든 진전에도 불구하고 여전히 수년 간의 연구 개발이 더 필요하다는 것도 명확한 사실이다.<ref>James Temple | ||
, 〈[https://www.technologyreview.kr/lithium-metal-batteries-electric-vehicle-car/ 리튬금속 배터리, 전기차 전환 앞당긴다]〉, 《MIT테크놀로지 리뷰》, 2021-03-10</ref> | , 〈[https://www.technologyreview.kr/lithium-metal-batteries-electric-vehicle-car/ 리튬금속 배터리, 전기차 전환 앞당긴다]〉, 《MIT테크놀로지 리뷰》, 2021-03-10</ref> | ||
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== 참고자료 == | == 참고자료 == | ||
* 김미영 기자, 〈[http://www.gpkorea.com/news/articleView.html?idxno=72282 GM, ‘최대 965km’ 신규 리튬 메탈 배터리 선보여...비용 60%↓]〉, 《지피코리아》, 2021-03-14 | * 김미영 기자, 〈[http://www.gpkorea.com/news/articleView.html?idxno=72282 GM, ‘최대 965km’ 신규 리튬 메탈 배터리 선보여...비용 60%↓]〉, 《지피코리아》, 2021-03-14 | ||
* 김벼리 기자, 〈[https://www.etoday.co.kr/news/view/1914954 최태원-정의선 공유한 '리튬-메탈 배터리'는?]〉, 《이투데이》, 2020-07-07 | * 김벼리 기자, 〈[https://www.etoday.co.kr/news/view/1914954 최태원-정의선 공유한 '리튬-메탈 배터리'는?]〉, 《이투데이》, 2020-07-07 | ||
* 정한교 기자, 〈[https://www.industrynews.co.kr/news/articleView.html?idxno=35372 국내 연구진, 리튬금속전지 체질개선으로 상용화 앞당겨]〉, 《인더스트리뉴스》, 2019-11-19 | * 정한교 기자, 〈[https://www.industrynews.co.kr/news/articleView.html?idxno=35372 국내 연구진, 리튬금속전지 체질개선으로 상용화 앞당겨]〉, 《인더스트리뉴스》, 2019-11-19 | ||
− | * James Temple, 〈[https://www.technologyreview.kr/lithium-metal-batteries-electric-vehicle-car/ 리튬금속 배터리, 전기차 전환 앞당긴다]〉, 《MIT테크놀로지 리뷰》, 2021-03-10 | + | * James Temple |
+ | , 〈[https://www.technologyreview.kr/lithium-metal-batteries-electric-vehicle-car/ 리튬금속 배터리, 전기차 전환 앞당긴다]〉, 《MIT테크놀로지 리뷰》, 2021-03-10 | ||
* 유일한 기자, 〈[http://www.motormag.co.kr/2263 SK이노베이션, 차세대 리튬메탈 배터리 개발한다]〉, 《모터매거진》, 2020-08-03 | * 유일한 기자, 〈[http://www.motormag.co.kr/2263 SK이노베이션, 차세대 리튬메탈 배터리 개발한다]〉, 《모터매거진》, 2020-08-03 | ||
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* [[리튬이온 배터리]] | * [[리튬이온 배터리]] | ||
* [[리튬 황 배터리]] | * [[리튬 황 배터리]] | ||
* [[리튬공기전지]] | * [[리튬공기전지]] | ||
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