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리튬 공기 배터리의 고용량과 수명을 양립하는 새로운 카본 재료 -- 도호쿠대학, ‘그래핀 메소 스펀지(GMS)’ 제안
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  • 기사일자 2023.12.1
  • 신문사 Nikkei X-TECH
  • 게재면 online
  • 작성자hjtic
  • 날짜2023-12-10 19:17:37
  • 조회수312

Nikkei X-TECH_2023.12.1

리튬 공기 배터리의 고용량과 수명을 양립하는 새로운 카본 재료
도호쿠대학, 신소재 ‘그래핀 메소 스펀지(GMS)’ 제안

도호쿠대학 재료과학고등연구소 니시하라(西原) 교수 등 공동연구진은 고용량과 사이클 수명을 양립한 리튬 공기 배터리의 카본 양극으로 신소재 ‘그래핀 메소 스펀지(Graphene Meso Sponge, GMS)’를 제안했다. 2023년 11월 14일에 발표했다. 열화 강도가 과제였던 리튬 공기 배터리의 실용화를 향해서 한 걸음 전진했다고 할 수 있다.

리튬 공기 배터리는 일반적으로 양극에 카본 재료를, 음극에 리튬 금속을 사용하고, 공기 중의 산소를 양극 활물질로 한다. 방전 시 리튬이온이 양극으로 이동하고, 충전 시는 리튬 금속이 음극에 석출되는 구조이다. 기존의 리튬이온 이차전지에 비해 단위 질량당 저장되는 에너지(에너지 밀도)가 높아, 가벼움이 요구되는 드론이나 IoT(사물인터넷) 기기, 가정용 축전 등에 응용될 것으로 기대되고 있다.

연구팀은 카본 재료를 구성하는 기본 구조인 그래핀에 주목했다. 고용량을 얻기 위해 풍부한 세공 용적(Pore Volume)을 확보하면서 배터리를 가볍게 하기 위해 그래핀의 적층을 배제함과 동시에, 그래핀의 엣지(끝)가 전극의 열화로 이어지므로 이를 배제한 양극 재료를 제안한다.

구체적으로는 적층이 없는 그래핀으로 이루어진 다공성 카본인 GMS의 자립막(Free Standing Film)을 양극 재료로 채택했다. GMS는 세공 용적이나 비표면적이 크고 도전성/내식성이 높다는 특징을 갖는다. “이를 통해 고용량과 사이클 수명을 양립할 수 있어, 카본 양극으로서는 현단계에서 생각할 수 있는 최선의 구조를 실현했다”(도호쿠대학).

다만 음극과 전해액의 열화가 영향을 미쳐서, 현재 실용적으로 요구되는 전류밀도와 용량으로는 21회 정도밖에 충방전을 할 수 없었다고 한다. 실용화를 위해서는 향후 음극과 전해액의 개량이 필수적이다.

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