리튬공기전지 개발의 돌파구(?)

최근 아이폰, 아이패드로 스마트폰과 휴대용북리더의 붐이 일어나고 있다. 스마트폰이나 아이패드의 경우에도 실제 사용하다 보면 불편한 것이 사용시간의 제한이다.  여분의 전지를 들고 다니는 사람들이 상당수 있다.

 

 

그리고 최근  부상되는 전기차의 실용에 가장 큰 장애물이 사용되는 전지의  축전용량이 충분하지 아니하여 주행거리가 짧다는 것이다. 그래서 부피당 축전량이 큰 고성능 차축전지의 개발필요성이 크게 대두되는 것이다. 가장 지금 주목을 받고 있는 것이 "리륨공기 전지"이다.   현재 휴대폰이나 노트북에서 많이 사용되는 리튬이온전지는 리튬이 공기와 반응하기 전에 습식 이온상태를 거친다. 그러나 리튬을 직접 공기와 접촉시키는 리튬 공기전지는 리튬이온전지에 비해 부피당 축전량을 3-5배까지 높일 수 있다.

 

 

작년말에 월스트릿저널에 게재된  "에너지 판도를 바꿀수 있는 5대기술"이라는 기사를 이 블로그에서 소개한바 있다.  

http://blog.daum.net/shkong78/337

 

그 때 소개된 5대기술은 "우주 태양광발전", "고성능 차축전지", "전력회사에서의 축전", "이산화탄소 포착 및 저장(포집)", "차세대 바이오 연료" 였다. 

 

"우주 태양광발전"은 우주공간에 태양전지를 띄워 그 생산된 전기를 지상에 마이크로파로 전송한다는 것으로 만약 실행될 경우 지구의 전기 문제를 해결할 수 있는 획기적인 기술이다. 그러나 여러가지 기술적인 문제로 실용화는 10년-20년 정도 걸릴 것으로 예상한다.

 

"이산화탄소 포착 및 저장(포집)"은 발전소 기타 이산촤한소 배출을 하는 시설에서 이산화탄소를 대기에 배출하는 대신 지하 등에 저장하는 기술로 아직 전세계 석탄 매장량이 충분한 상황에서 석탄을 이용한 발전을 하면서도 이산화탄소 배출을 줄이는 점에서 큰 의미가 있다. 이 기술은 아마 5-10년 사이에 실용화될 것으로 예상한다.

 

"차세대바이오연료"는 녹조를 배양하여 바이오연료를 얻을 경우 단위면적당 생산량이 높아 석유를 대체할 수 있다는 것으로 이 기술도 현재 미국 등지에서 약 5-10년 정도면 실용화될 것으로 생각한다. 다만 녹조 배양에도 물이 필요하므로 만약 지구에서 물부족현상이 심화되면 실용화에 장애가 될 수 있다.

 

 

"전력회사에서의 축전"은 송전망의 효율과 안정성을 높이기 위하여 송전망에 대규모 축전지를 사용하는 방안이다.  최근 다양한 그린에너지인, 태양광, 풍력발전 등의 발전이 일조량이나 풍량에 따라 불규칙함으로써 지능적인 송전망(스마트그리드)가 필요하여 그 것을 보충하는 기술이다. 실용화의 관건은  가격 대비 용량이 크고 안정성이 좋은 축전지의 개발이다.

 

"고성능 차축전지",는 최근 전기차의 실용가능성이 높아짐에 따라 제기되는 것이다. 과거 전기차의 전원으로 수소연료전지가 많이 연구되었으나, 안정적이고 경제성이 있는 수소전지의 개발이 늦어지고 수소의 저장 및 수송이 까다로운 점이 실제 실용화에 큰 장애가 되었다. 그래서 최근에는 축전을 하는 2 차전지를 이용한 전기차가 일부 판매되고 있다. 궁극적으로는 리튬공기전지가 "고성능 차축전지"의 유망한 후보로 여겨 지고 있는 것이다.

 

 

리튬공기 전지는 지금 IBM, GM 등 여러 다국적 회사가 개발중에 있다.  즉 위에서 소개된 "에너지 판도를 바꿀수 있는 5대기술" 중에서 가장 먼저 실생활에 적용되고 파장도 클 것이라고 생각한다.

 

 

 

Image: Patrick Gillooly/MIT

 

리튬 공기전지 개발에 있어 MIT대학의 연구진이 상당한 돌파구를 열었다는 기사가 있어 소개한다. 원문은 아래 사이트로 들어가면 된다. 위 사진이 시험용 리튬공기전지를 보여준다. 다만  기사내용을 검토해 본 결과 획기적인 돌파구라고 보기에는 아직 이르고 효율적인 촉매를 개발하는 방향으로 상당히 도움이 되는 연구인 것으로 생각한다.
 

http://www.gizmag.com/lithium-air-battery/14720/ 

 

 

리튬공기전지 개발에서 가장 큰 문제는 공기와 접촉을 시키는 캐소드 역할을 하는 최적의 소재를 찾는 것이다. 박사학위 과정인 이춘루(Yi-Chun Lu,)가 주된 저자로 된 MIT의 연구팀이 발표한 아래 논문에 의하면 전지에서 여러가지 다른 촉매의 성능을 분석할 수 있는 방법을 개발하였다고 그런다.

 

 “The Influence of Catalysts on Discharge and Charge Voltages of Rechargeable Li–Oxygen Batteries,” which is published in the journal Electrochemical and Solid-State Letters.

 

 여러 소재를 시험한 결과 금이나 백금 소재가 종전에 고려되던 탄소소재보다 촉매로서의 효율이 훨씬 높다는 것을 발견하였다고 한다. 이 방법으로 금, 백금 이외에 다른 금속이나 금속산화물의 복함합물의 사용가능성도 계속 연구할 것이라고 한다.  그 이유는 당연하다. 금이나 백금은 가격이 비싸기 때문에 실용화를 위하여서는 다른 값이 싼 소재를 개발하는 것이 필요하다.

 

(이 블로그의 글 "금보다 백금이 비싼 이유"  http://blog.daum.net/shkong78/574 참조 )

 

지금 리튬공기전지 개발에서 가장 문제가 되는 것은 충전과 방전과정에서 계속적으로 안정성을 가지는 전지를 개발하는 것이다. 그 기본을 위해 충전과 방전과정에서 일어나는 복합물질의 화학 반응과정도 자세히 연구하고 있다고 한다.

 

GM연구소에 있는 골람-아바스 나즈리는 위 연구결과가 적당한 촉매를 찾는 방법에 대한 올바른 방향을 제시하고 있다고 평가한다. 여러 회사에서 전기차에 사용될 수 있는 리튬공기전지를 개발에 대한 일정을 약 10년정도 걸리는 것으로 보고 연구하고 있다고 한다. 그러나 가격때문에 차보다 먼저 노트북이나 휴대전화에 먼저 응용될 가능성이 높다고 한다.

 

여기에서 정리하여 내 의견을 제시하여 보자. 위 기사에 언급된 대로 전기차가 제대로 실용화되기 위하여서는 기존의 니클계통전지나 리튬이온전지로는 주행거리가 불충분하다고 생각한다.  궁극적으로 리튬공기 전지로 갈 것이라고 생각한다.  전기자동차에 사용되기 이전에, 스마트폰이나 노트북 용도로 먼저 사용될 것이다.

 

삼성경제연구소(SERI) 2009.7.23.자 보고서 '급부상하는 자동차용 2차전지'에 의하면 미국 IBM이 차세대 리튬 공기 전지를 개발 중이라는 내용을 소개하고 있었다.  우리나라에서 리튬 공기전지에 대한 더 많은 관심을 가지고  개발 계획을 진행하여야 할 것이다.