혁신적인 고체 전지

과거부터 현재까지의 흥미로운 기술 변화 중 하나는 우리가 전지와 더 많은 상호 작용을 한다는 것입니다. 1800년대에 개발된 최초의 고체 전지는 마이클 파라데이의 작품으로, 과학적 호기심으로 시작되었습니다. 30년 전에는 손전등에 C형 배터리, 워크맨이나 디스크맨에 AA형 배터리, 그리고 원격 제어용으로 몇 개의 AAA형 배터리가 필요했지만 중요한 것들은 모두 전원에 연결해야만 사용할 수 있었습니다. 하지만 오늘날 배터리는 우리 생활의 필수품이 되었습니다. 전화기와 노트북은 물론, 우리가 일과 여가에 의존하는 차량에도 배터리가 필요합니다. ‘고체 전지’라고 불리는 배터리의 한 유형이 종종 언급되는데, 이것은 손전등에 사용되는 알칼라인 배터리나 자동차에 사용되는 납산 배터리와 같은 ‘일반적인’ 배터리와 무엇이 다른 걸까요? 배터리는 양극과 음극으로 연결된 전해질이라는 전도성 물질을 통해 내부적으로 연결된 양전하와 음전하로 에너지를 저장하는 장치입니다. 일반적인 배터리 화학 반응에서 사용되는 것과는 달리, 고체 전지는 합금, 고분자, 페이스트 또는 젤과 같은 고체나 반고체 전해질을 사용합니다. 배터리 화학 반응에는 다양한 종류의 고체전해질이 사용됩니다. 이 중에는 금속 리튬 합금과 같은 결정성 고체가 있고, 플라스틱이나 세라믹 시트인 경우도 있으며, 일부는 고분자 젤로 구성됩니다. 예를 들어, 감자의 전지는 충분한 수분이 포함되어 있어 전자 및 이온이 감자의 단백질과 전분 매트릭스를 통해 전도됩니다. 감자에 동전과 아연 도금 스크류를 꽂고 LED에 연결하면 LED가 켜집니다. 수천 개의 감자 전지를 연결하면 사실상 ‘둠(Doom)’을 놀 수 있습니다.

감자는 준형체 고체 전지의 훌륭한 예입니다. 일부 고체전지는 전도성 용액이 함유된 공간매트릭스를 사용합니다. 감자의 교착반응 합금과 전해질의 교착 반응은 섬유단백질과 전분 고분자 폴리머로 이뤄진 매트릭스를 형성합니다. 매트릭스를 통해 이온이 스며들어갈 수 있습니다.

리튬은 그에 따라 시중에 있는 여러 고체 전지에서 가장 많이 사용하는 금속입니다. 리튬 이온 배터리는 리튬 이온을 음극 및 전해질로 사용하면서 양극은 일반적으로 석유코크스 또는 실리콘으로 만들어집니다. 이러한 선택은 리튬의 에너지 밀도가 높고 결합 에너지가 낮기 때문입니다.

리튬 이온 배터리는 단위 질량 당 가장 높은 에너지 밀도를 가지며, 대부분 재충전이 가능한 배터리입니다. 이 두 가지 장점으로 인해 리튬 배터리는 가장 우수한 휘발성 에너지 공급원입니다. 리튬 이온 배터리는 노트북 및 휴대폰과 같은 다양한 소비자 전자제품의 휴대용 전원원입니다.

많은 리튬 이온 배터리는 이제 고분자 젤이나 멤브레인을 사용하지만 일부는 여전히 액체 전해질을 사용합니다. 제트식 사이클링은 일부 차세대 테슬라 파워월의 배터리에 사용되는 비중이 높은 리튬, 망간, 코발트와 같은 금속 합금을 사용합니다. 그러나 니켈과 코발트의 유독성에 대한 우려는 리튬 철 인산 배터리 화학반응의 개발에 영향을 미쳤습니다. 앞으로 나올 파워월 3로의 LFP(리튬 철인산) 배터리 화학 반응의 변경에도 관련 우려사항이 될 것입니다. 갈 때도, 리튬 배터리는 ‘고체 전지’와 ‘액체 전해질’의 두 가지 속성을 모두 가지고 있습니다. 모든 고체 전지가 리튬을 사용하는 것은 아니지만, 대부분 리튬을 사용하며, 모든 리튬 배터리가 고체 전지는 아니지만 많은 양의 리튬이 사용됩니다. 일부 배터리는 폴리에틸렌과 같은 고분자를 전해질로 사용하는데, 이를 리튬 폴리머 배터리라고 부릅니다.

일부 리튬 배터리는 리튬 이온 용액이 아니라 고형 리튬 합금 또는 세라믹과 같은 고체 리튬 합금을 사용합니다. 그 방법은 그래피트와 유사하며, 전자는 세라믹의 결정 매트릭스를 통해 자유롭게 흐를 수 있습니다. ‘순수’ 고체 전지는 (고체 전해질뿐만 아니라 고체 양극 및 음극을 사용하는) 액체나 젤을 전해질로 사용하는 화학학적 처리법과 비교하여 몇 가지 이점을 가지고 있습니다. 가장 중요한 것은 액체 전해질의 안전성 문제입니다. 차량에 장착된 납산 전지는 그 예입니다. 전지 내부의 황산 전해질이 누설되거나 파손되지 않도록 사용자에게 경고하는 스티커와 돋문이 있습니다. 황산 전해질은 사용자에게 영구적인 상해 또는 사망을 초래할 수 있습니다.

그러나 ‘순수’ 고체 전지 화학 반응에는 몇 가지 내재적인 문제가 있어서 간단하게 빌릴 수 없습니다. 첫째로, 합리적인 반응 속도를 얻으려면 두 개의 세라믹 시트를 충분한 압력으로 서로 압착해야 하는 만큼, 액체 전해질에 두 전극을 담그고 기다리는 것보다 훨씬 많은 압력이 필요합니다. 결과적으로, 합리적인 압력에서 작동하는 고체 전지를 만드는 것은 어려운 일입니다. 둘째, 너무 많은 충전을 받은 고체 전지는 성장 화석이라 불리는 크리스탈 성장(dendrites)에 취약합니다. 석유광전지에 존재하는 결정 성장과 같이 이온이 용액에서 결정의 형태로 성장할 때 석유에서 슈트를 당기고 배터리를 파괴하는 쇼트가 형성됩니다. 하지만 고체 전해질은 전해질의 결정 매트릭스로부터 이동하여 다른 곳에 결정을 형성함으로써 전기적인 흐름을 방해합니다. 굽힌 연결부와 날카로운 모서리와 같은 굽은 가장자리 주변에서 전자의 이상한 행동인 굴절방전 코로나 방전으로 인해 이전한 전해질은 전기적 흐름을 방해합니다. (굴절방전에 대한 예로는 아래 비디오를 참조하세요.)

이러한 이유로 ‘순수’ 고체 전지 화학 반응은 그저 눈부신 주목을 받는 것을 방지하는 몇 가지 문제점을 갖고 있습니다. 하지만 이는 기술 개발이 계속됨에 따라 극복될 수 있는 문제입니다. 고체 전지는 안전성과 에너지 밀도 측면에서 더 향상된 장점을 가진다는 점을 간과해서는 안 될 것입니다. 이러한 혁신적인 배터리 기술은 미래에 전기차 및 이동식 전자 기기 등에 더 효과적인 전력공급 솔루션을 제공할 수 있을 것입니다.

기사에서 다루고 있는 주제와 정보에 기반한 FAQ 섹션:

1. 고체 전지와 일반적인 배터리의 차이점은 무엇인가요?
– 고체 전지는 알칼라인 배터리나 납산 배터리와 같은 일반적인 배터리와는 다른 고체나 반고체 전해질을 사용하는 배터리입니다.

2. 고체 전지는 어떻게 작동하나요?
– 고체 전지는 전해질의 결정성 고체나 고분자 젤을 통해 내부적으로 양전하와 음전하로 에너지를 저장합니다.

3. 리튬이 일반적인 고체 전지에서 가장 많이 사용되는 이유는 무엇인가요?
– 리튬은 에너지 밀도가 높고 결합 에너지가 낮아서 고체 전지에서 가장 효율적으로 사용되기 때문입니다.

4. 리튬 이온 배터리와 리튬 폴리머 배터리의 차이점은 무엇인가요?
– 리튬 이온 배터리는 액체 전해질을 사용하고, 리튬 폴리머 배터리는 고분자를 전해질로 사용하는 차이가 있습니다.

5. ‘순수’ 고체 전지는 어떤 장점과 문제점이 있나요?
– 순수 고체 전지는 안전성과 에너지 밀도 측면에서 우수하지만, 작동 압력이 높고 크리스탈 성장에 취약한 등 일부 문제점이 있습니다.

6. 고체 전지 기술은 미래 전력 공급 솔루션에 어떻게 기여할 수 있나요?
– 고체 전지 기술은 전기차 및 이동식 전자 기기 등에 더 효과적인 전력공급 솔루션을 제공할 수 있을 것으로 기대됩니다.

주요 용어와 행정어의 정의:
– 고체 전지: 액체나 젤 대신 고체 전해질을 사용하여 에너지를 저장하는 배터리.
– 전해질: 양전하와 음전하를 내부적으로 연결하여 에너지를 저장하는 전도성 물질.
– 리튬 이온 배터리: 리튬 이온과 액체 전해질을 사용하여 에너지를 저장하는 배터리.
– 리튬 폴리머 배터리: 리튬과 고분자를 전해질로 사용하여 에너지를 저장하는 배터리.
– 순수 고체 전지: 고체 전해질과 고체 양극 및 음극을 사용하여 에너지를 저장하는 배터리.

관련 링크:
– 테슬라 공식 웹사이트
– LG화학 공식 웹사이트
– 삼성SDI 공식 웹사이트
– 네이버 뉴스