(A four-electron redox process in a Li-oxygen cell is electrocatalyzed by a bifunctional lithiated nickel oxide-molten salt composite cathode at elevated temperature to form Li2O. It evolves oxygen on charge with close to 100% coulombic efficiency. Credit: Chun Xia and Chun Yuen Kwok)
워털루 대학의 과학자들이 좀더 실용화에 가까운 리튬 공기 전지(lithium air battery)를 개발했습니다. 리튬과 공기 중의 산소가 결합하는 방식인 리튬 공기 배터리는 무게 당 에너지 저장 밀도가 리튬 이온 배터리 보다 우수한 장점이 있지만, 2차 전지로 개발하기에는 여러 가지 제약이 있습니다. 가장 중요한 문제는 충방전 싸이클이 짧다는 것입니다.
린다 나자르 (Linda Nazar)를 비롯한 과학자들은 리튬 공기 배터리의 수명을 짧게 만드는 중요한 원인인 유기물 전해질을 용융염으로 교체했습니다. 초산화물(superoxide)인 LiO2와 과산화물(peroxide product)인 (Li2O2)이 자꾸 유기물 및 다공성 탄소 전극과 반응해 수명을 줄이기 때문입니다. 전극 역시 금속 촉매 소재로 바꾼 결과 훨씬 안정한 Li2O이 생성되면서 쿨롱 효율(coulombic efficiency)이 거의 100%에 가까워 졌습니다. 동시에 에너지 저장 밀도 역시 50% 높아졌습니다.
쿨롱 효율은 전기가 방출되는 정도를 표시한 것으로 100%에 가까워야 배터리가 완전 방전되고 새로 채울 수 있기 때문에 2차 전지로 사용이 가능합니다. 다만 이 리튬 공기 배터리는 섭씨 150도 정도의 높은 온도에서 잘 작동한다는 단점이 있습니다. 아마도 용융염 때문으로 보이는데 일반적인 용도로 사용하기 위해서는 대체재가 필요하지 않을까 생각합니다.
현재 널리 사용되는 리튬이온 배터리는 휴대폰부터 전기차, 에너지 저장 시스템(ESS)까지 없으면 안 될 제품이지만, 보다 저렴하고 안전하며 에너지 저장 밀도가 높은 배터리의 수요는 매우 높습니다. 과연 리튬 공기 배터리가 차세대 배터리의 자리를 차지할지 궁금합니다.
참고
C. Xia el al., "A high-energy-density lithium-oxygen battery based on a reversible four-electron conversion to lithium oxide," Science (2018). science.sciencemag.org/cgi/doi … 1126/science.aas9343
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