재충전 리튬 배터리의 개발 진전 도전과 미래 방향 · KOSEN Expert Review Copyright ⓒ 2014 KOSEN All rights reserved. 페이지 1/17 재충전 리튬 배터리의

KOSEN Expert Review

http://www.kosen21.org/

Copyright ⓒ 2014 KOSEN All rights reserved.

페이지 1/17

재충전 리튬 배터리의 개발: 진전, 도전과 미래 방향

성용길 (동국대학교 이과대학)

분석자 서문

이 리뷰는 재충전 Li배터리, Li-이온 배터리, Li-S배터리, Li-공기 배터리의 전극물질과 전해질

사이의 복잡하고 상호 밀접한 관계가 있는 전지 성능의 평가에 관한 연구 내용들을 정리한 것이

다. Li-이온 전지의 기술개발과 진전, 변화에 관한 지식을 알고 있는 것이 앞으로 하이브리드 전기

자동차(HEVs: Hybrid Electric Vehicles)의 확장을 위해 필요하다. 또한 이 리뷰는 플러그(Plug)를 꽂

아 HEVs 와 순수한 전기자동차에 전기를 통하게 하여 신재생에너지를 효과적으로 활용하는데 이

바지하고자 하였다. 이 기술개발과 응용을 위하여 배터리는 단위부피와 무게당보다 더 많은 에너

지를 보관할 수 있도록 하여야 한다. 그리고 안전하게 수천 번의 충전-방전 사이클을 도모할 수

있도록 개발되어야 한다. 이 테마의 연구 논문들이 재충전 Li-이온 배터리의 고에너지 음극과 양

극 물질들을 비롯한 Li 배터리를 위한 음극 물질로서 Li 금속의 도전에 관한 것을 소상하게 설명

제시하였다. Li 이온 외에 Li-S 및 Li-공기 배터리들을 비롯해서 전기자동차에 전원을 공급하기 위

한 차세대 배터리로 그 가능성을 갖는 최신의 개발과 진보 지식들을 주로 다루었다. 이 논문에서

정리된 지식들이 미래 전기에너지를 저장하는 기술과 응용에 보탬이 되고, 필요한 지식들이 활용

될 수 있도록 촉진하는 촉매제로서의 역할이 되기를 바라며, 이에 관한 지식 정보들을 수집하여

정리하였다.

Keywords: Rechargeable, Lithium battery, Li-S battery, Li-air battery, Li-ion battery, 재충전, Li 배터리,

Li-S 배터리, Li-공기 배터리, Li-이온 배터리

1. 개요

1970년대 초기에 비수용성 재충전 Li-이온

전지가 처음으로 소개되었다. 1990년대 들어서

서 휴대폰(cellar phone), 전자계산기와 같이 들

고 다닐 수 있는 전자 제품들에 들어가는 각종

전지의 상업화는 배터리 생산 기술에 대변혁의

도화선이 되었다. 이것은 일상생활의 관례적인

Na-S 배터리들과 같은 높은 온도 시스템들뿐

만 아니라 Ni-Cd과 니켈 금속수소화물(NiMH)

배터리들과 같이 상대적으로 전압이 낮고, 물

을 기본으로 사용하고 있는 크고 무거운 배터

리들을 가지고 다니는 것들보다 가볍고 간편하

게 사용할 수 있도록 만들었기 때문이다. 시대

의 흐름에 따라서 여기서는 Li-이온 배터리, 재

충전 Li배터리, Li-S배터리, Li-공기 배터리, 재

충전 마그네슘 배터리와 Li 금속표면의 안정화

에 대해서 주로 다루기로 한다. 오늘날 재충전

이 가능한 Li-이온 배터리들을 집중적으로 사

용하고 활용하며, 무수히 많은 배터리들을 전

자기기 및 장치 구성에 파고들게 만들고 있다.

이는 전자 제품과 전기운반체를 쓰는 소비자들

을 위하여 매우 간편하게 사용할 수 있게 하고

필요한 전력 공급과 재충전 파워 전지를 손쉽

게 취급할 수 있도록 개발하여 생산하게 되었

기 때문이다.

2. 재충전 Li-이온 배터리 개발

상업용 Li-이온 배터리는 1991년 Sony사에 의

해서 최초로 시장에 등장했다. Li-이온 배터리

의 구성을 개략적으로 [그림 1]에 나타내었다.

여기서 보는 바와 같이 음극(LiCoO2)과 양극

(C)으로 구성되어 있다. 그 전지에 전류가 흐

르게 되면, 리튬이온(Li+)은 음극(Li1-xCoO2)으로

부터 나와서 흑연 리튬탄소(LixC6)쪽으로 가서

양극매체 저장내부에 갇혀 있게 된다. 배터리


KOSEN Expert Review



페이지 2/17

방전에서는 리튬 이온(Li+)들이 양극으로 돌아

가고, 전류가 흐르게 되면 다시 충전하여 전지

로 사용할 수 있을 것이다. 이 전지는 전자제

품들과 전기운반체를 사용하는 모든 소비자들

에게 전원으로 공급하게 되고 간편하게 사용할

수 있는 에너지원이 된다.

그림 1. 공통의 리튬이온(Li+) 배터리와 그것의 전기화학반응 개략도. 전형적으로 재충전할 수 있는 Li+-이온

배터리는 보기로 이온전도에 비수용성 전해질을 갖는 한 흑연(C) 양극과 한 층의 LiCoO2 음극으로 구성된다.

Li-이온 전지에 전기화학 에너지들은 동시에 외부 회로를 통하여 옮겨 다니는 전자들을 따라서 양극과 음극

사이에 가역적 충전/방전 과정들을 통해 내부변환이 이루어진다. 전지 C/LiCoO2에 대한 전체 전기화학반응은

오른쪽에 주어져 있다. 여기서 Φ。는 전극의 표준 산화환원 전위차이고, E

。는 전지 볼트를 각각 표시하고 있

다[1].

Li-이온 배터리 산업에서는 재충전 흑연

(Graphite) 형성에 탄소(C)는 양극의 선택 재료

가 된다. 그리고 이들의 필요 조건은 음극의

물질에 맞아야 적절히 완성된다. 과거 10여년

동안 LiCoO2를 비롯한 몇 가지 교체 음극 재

료들이 Li-이온 배터리와 리튬 전지를 선도하

게 되었다. 그 배터리들의 작동 중에는 탈리튬

(Li1-xCoO2) 구조의 표면반응이 일어나고, 때로

는 전지의 불안전성이 나타난다.

이 음극(LiCoO2)의 실제 전류용량은 대략

140mAh/g 정도의 값이다. 그러나 이것은 이론

적으로는 그 값이 273mAh/g로 분율, x=0.5(즉,

~50%)에 미치지 못한다. 어떤 경우에는 전지의

과전압에 의하여 다루기 힘든 열과 적절히 조

절하기 어려운 문제들이 생긴다. 그리고 상대

적으로 값이 고가인 배터리들의 내용을 살펴보

면, 고가인 코발트(Co) 재료를 사용하여야만

하는 문제점과 함께 이들의 한계성이 드러나곤

했다. 1991년 초부터 시급히 해결되어야 할 문

제로 이러한 제반 문제들이 나타나서 이에 대

한 대체 개발 노력들이 생겼다. 그 중 하나가

리튬 배터리의 개발 노력이고, 그 결과로 새로

운 전지 개발을 선도하게 되었다. 이전부터 사

용해오던 음극 재료들보다 더 나은 에너지밀도,

속도 능력, 안전과 수명 사이클 등을 가진 Li-

이온 전지를 제작하는 일이었다. 그래서 몇 가

지 재료들을 찾을 수 있었는데, LiCoO2 물질이

그 당시로선 리튬 화합물들 중 가장 우수하고

적합한 재료로 부각되었다.

Li-이온 전기화학 전지 자체를 위한 전지

로서는 삽입 전극들이 가능하면 많은 리튬 이

온들을 추출할 수 있어야 한다. 그리고 전지

에너지밀도와 수명 사이클을 극대화하기 위해

서 충전을 반복하거나 방전되는 동안 다시 넣

는 것이 가능하여야 한다. 그러기 위해서는 넓

은 조성 범위와 안정된 구조를 갖게 할 필요가

있었다. 그들 중에는 LiCoO2 층의 조성을 변화

시켜 얻어진 것들이 있다. 예를 들면 LiMn2O4

로부터 유도된 Li1+xMn2-xO4 시스템에 풍부한

Li과 Ni, Co, Al 등이 들어있는 산화물과같은 첨

정석 LiNi0.5Co0.15Al0.05O2(NCA)이다.

이 NCA는 LiCoO2보다는 약간 더 높은 실

제 전지 용량(160~180mAh/g)을 제공하고 있지

만, 높은 원자가 Ni의 존재에 기인한 탈리튬화

에 따른 열에 대한 불안정화가 리튬 이온(Li+)

전지들의 안정과 서로 절충되는 결과를 나타낸


KOSEN Expert Review



페이지 3/17

다. 한편, 첨정석(LiMn2O4)과 감람석(LiFePO4)으

로된 전극들은 구조와 열적으로 의미 있게 Co

와 Ni에 기초한 전극들보다 리튬(Li) 추출에

더 안정적이다. 그러나 적절한 전류의 속도에

전형적으로 3V상에서 100-150mAh/g의 값이다.

이것은 상대적으로 실제 낮은 전지용량을 운반

해주고 있다.

1990년대 말에 전지개발에 관한 새로운 도

전과 구체적인 계획들이 나오기 시작하였다.

표준 LiCoO2-형, LiMn2O4-형 및 LiFePO4-형의

전극들과 함께 신형 전극들이 나왔다. 그 전그

들은 구조상 안정, 전극들의 전류속도 또는 전

지들의 수명 사이클들을 절충함이 없이 최상의

전지용량에 도달할 수 있도록 제작되었다. 높

은 전위차 음극재료(>3V)들을 설계해서 교체할

수 있게 하였다.

최근에 미국 Argonne국립연구소에 있는 연

구자들이 전기화학적으로 활성인 Li2MO2(M =

Mn, Ni, Co) 속으로 Li2MnO3를 넣어 구조적으

로 안정화되도록 하여 성공했다. 일련의 고에

너지 망간(Mn)을 기본으로 한 음극들을 새로

이 개발해냈다. 이들 고에너지 음극 재료들에

상대적으로 높은 Mn의 양을 넣어주는 것은 가

격을 낮춰줄 수 있어서 경제성이 있다. 그리고

한편으로 과량의 Li이 4.6~2.5V 사이에서 비전

지용량을 250mAh/g까지 밀어 올릴 수 있게 만

들어 전지 파워를 높여주는 결과를 가져왔다.

그럼으로써 배터리 전지들의 밀도를 유효

하게 900Wh/kg에까지 도달할 수 있도록 개량

할 수 있게 되었다. 그러나 실제 전지에서는

이들 고에너지를 위한 Ni-Mn-Co 산화물들이

흑연으로 에워쌓여 그 운반 용량은 전지의 방

전 전압에 따라 사이클 수에 비례하여 급격히

줄어든다. 에너지가 줄어드는 것은 Li-이온 전

지에 대한 고에너지 음극 물질들로서 관측한

중요한 메커니즘에서 이 물질들의 전위를 풀어

주기 위한 것으로 나타난다. 더욱이, 이들 음극

들이 높은 전압에서 작동하므로 이와 같은 새

로운 전극을 사용할 수 있도록 하기 위해서 고

전압용 전해질(electrolytes)들을 개발해야 할 필

요성이 요구된다.

최근에 몇 가지 새로운 유기용매 전해질들

이 개발되어 소개되었는데, 이들은 산화력이

크고 안정성이 있는 설폰(sulfones), 니트릴

(nitriles), 불소화 용매들이다. 이 전해질들은

Li-이온 배터리에서 요구되는 음전극 고체전해

질 내부상 형성을 줄여주는 역할을 한다. 음극

표면의 계면막을 형성시켜주는데 도와주는 첨

가물 전해질들을 개발하는 것도 중요하다. 그

것은 고전압 음극을 위한 작동 전해질 시스템

을 개발하는데 크게 도움을 준다. Li 원료가 지

구상에서 충분하지는 않다.

그러므로 장차 Li전지들을 대량으로 생산

하는 시대가 오게되면, 그것들의 절대량이 부

족하므로 그 값이 치솟을 것이 예상된다. 따라

서 Li 대신에 지구상에 풍부히 존재하는 Na자

원으로 대체할 수 있는 배터리 기술과 적절한

나트륨이온(Na+) 배터리의 새로운 개발이 필요

하게 된다.

3. 재충전 Li 배터리 양전극 물질

금속성 Li 양극을 갖는 Li 배터리는 종래

의 일반 배터리 형태들 중에서 제일 높은 전지

용량을 갖는 것들 가운데 하나이다. 그리고 표

준수소전극(SHE: Standard Hydrogen Electrode)에

대비해서 -0.304V의 더 낮은 음(-)의 산화환원

전위차를 갖는다. 그리고 지극히 높은 비용량

(3,860mAh/g)을 갖는 제1 또는 제2의 모든 Li

배터리들 중 최고 높은 에너지밀도를 제공한다.

그러나 재충전 Li 배터리를 성공적인 전지

로 만드는데는 두 가지 해결되어야 할 난제들

이 있다. 하나는 반복되는 충전/방전 사이클이

이루어지는 동안에 리튬 전지들이 재충전 능력

을 심각하게 손상시키는 것을 해결하는 일이다.

그것은 충전/방전하는 동안에 생기는 리튬 수

지상 결정돌기들, 즉 덴드라이트들의 생성 문

제에서 비롯되는 문제이다. 또 다른 하나는 반

복되는 충전/방전 사이클이 이루어지는 동안에

쿨롱(Coulomic) 에너지의 효율이 낮게 떨어지

는 것이 문제이다. 이것은 과량의 Li 성분을

더 넣어서 다소는 보상 충족되는 것도 있지만

전지들의 수명에 관계되는 것이다. 예를 들면,

Li금속 배터리 기술개발 초기에는 이 문제를

해결하기 위하여 과량(약 300%)의 Li을 더 넣

어 보기도 하였다. 그러나 근본적으로 해결할

수 있는 방법은 아니었고, 아직도 이 문제는


KOSEN Expert Review



페이지 4/17

리튬배터리 기술개발 산업분야에서 해결해야

할 일이다. 이들 장애물을 극복하기 위해서 엄

청난 도전을 하고 있다.

최근에 연구자들이 폴리에틸렌옥사이드 공

중합체 전해질들을 사용해서 Li 수지상 결정

돌기들의 성장에 대해서도 많은 연구들을 하고

있다. 이와 같은 장애물들이 있음에도 불구하

고 몇몇 유용한 연구들이 있어서 금속리튬 전

지시스템으로서는 새로이 Li-S배터리와 Li-공기

배터리 등이 개발되었다. 양극재료로서 Li금속

의 기술적 장애물들을 뛰어 넘기 위하여 현재

까지 가장 널리 사용하여온 탄소(C)를 기본으

로 해보자는 발상이다. 그러나 Li+이온 배터리

에서는 전형적으로 탄소를 기본으로 한 물질들

은 비전지용량에 한계가 있다는 점이다. 즉, 흑

연 탄소(C)의 비용량의 값이 372mAh/g 정도이

다. 이와 같은 전류의 한계용량 문제들을 극복

하기 위한 기술로서 도입된 것들이 Li금속과

합금들을 형성할 수 있는 Sn, Sb, Si, Ge 등과의

복합재료 개발이다. 이 합금재료들은 양극의

후보물질 재료로 전망이 밝다. 다음 [그림 2]에

서 탄소 성분인 흑연(Graphite)과 리튬 합금 재

료 전극들에 관한 비용량들을 비교하여 볼 수

있다.

그림 2. 흑연(Graphite)과 다른 Li 합금재료 전극들에 대한 비전용량(mAh/g)의 비교. Li 실리콘 음극의 것(대략

Li4.4Si)이 약 4,200mAh/g 정도로 다른 것들, 흑연이나 Li 합금재료 음극들에 비해서 높은 값으로 특히 눈길을

끌고 있다[1]

이들 중에서, Si를기본으로 한 양전극들이 특히

관심을 끌고 있는데, 그 이유는 리튬-실리콘

합금(Li4.4Si)의 이론적 비전지용량의 값이 대략

4,200mAh/g으로 흑연(C)과 산화물들의 값들에

비해서 훨씬 높기 때문이다. 그러나 실리콘 자

체 양전극의 적용은 한 가지 주요한 문제점이

나타나 있다. Si-Li 합금들의 형성을 위한 반응

과정에서 탈리튬상으로부터 리튬상으로 가는데,

무려 380%에 이르는 부피 팽창의 문제점에 직

면하게 된다. 이 높은 부피 팽창의 현상으로

인해 재충전할 때에 심각한 문제점으로 나타난

다. 이 높은 부피 팽창으로 인해 재충전할 때

에 탈리튬이 일어나서 그 리튬이 빠진 자리에

같은 크기의 빈 자리가 생겨 실제 비가역적인

기계적 손상이 올 수도 있다. 더욱이 실리콘

자체는 보통 낮은 전기전도를 갖기 때문에 배

터리로 사용하기에는 역학적으로 만족스럽지

못하다는 문제가 남아있다.

4. Li-이온 시스템 이외의 전지

Li-이온 자체의 전류 고유 에너지밀도의

기술만 가지고서는 장차 장거리용 자동차 배터

리로 쓰기에는 충분하지 않다. 엄청난 도전이

될지는 몰라도, 궁극적인 목표에 도달하기 위

해서는 Li-이온 전지자체 이외의 전지들을 개

발해야한다는 것에는 이의가 없을 것이다. 이

에 관한 전기화학과 신소재들에 관한 지식과

발명이 있어야 한다. 여기서는 그런 용도의 3

가지 시스템, 즉 재충전 Li-S, Li-공기, 그리고

Mg 배터리 등을 기술하고자 한다. 그리고 각

각의 이들 시스템에 관하여 중요한 도전과 개

발내용들을 살펴보기로 한다.

4.1. 재충전 Li-S 배터리 시스템

재충전 Li-S전지는 양극 Li+과 음극 S의

환원과정에 의해서 작동한다. 다음 [그림 3]에

도시되어 있는 바와 같이 전해질 용액에서 녹


KOSEN Expert Review



페이지 5/17

는 폴리설파이드(polysulfide) 화학 종들이 음극

에 형성되기 위해 방전되고, 결국에는 황(S)들

이 방전 끝에 Li+과 결합하여 고체 Li2S2 및

Li2S로 된다. Li2S2/Li2S이 충전과정에서 용해

되어 유사 폴리설파이드 중간 물질들이 되고,

방전하는 사이 S로 변환된다. 그리고 리튬 판

은 명목상 양극으로 가고 가역전지 시스템을

만든다. 이것은 종래의 리튬 이온 전지들과 대

조를 이루는데, 여기서 리튬 이온들은 양극과

음극 사이로 끼어들어가서 결과적으로 Li-S시

스템을 이루게 되어 훨씬 리튬의 저장밀도를

높여 주고, 그에 따라 전지의 성능을 원활하게

유지시켜 주게 된다[2].

그림 3. Li-S 전지와 그것의 전기화학반응. 재충전 Li-S전지는 방전된 양극에서 S의 환원에 의해 작동하는데,

그때에 Li이 최후 일련의 용해 폴리설파이드 종(Li2S8, Li2S6, Li2S4)들을 형성하고 결국 방전된 끝에 고체 Li2S2

와 Li2S로 된다. 그림의 왼쪽에 보여진 바와 같이 충전과정과 방전과정이 가역으로 이루어진다. Li-S 전지의

전체반응과 전형적인 방전 단면도를 그림의 오른쪽에서 볼 수 있다[1].

Li-S 배터리들은, S8 + 16Li = Li8S 전체 반

응을 두고 보면, 2.15V에서 이론적으로 비전

지용량 1,675mAh/g-S로 작동한다. 이것은

2,600Wh/kg(2,800Wh/L)의 에너지밀도에 해당

한다. 즉, 삽입화합물들에 기초한 보통의 Li-

이온 배터리들보다 무려 5배 이상 높게 나온

다. 황(S)은 대량으로 구입할 수 있는 풍부한

물질이고, 석유나 광물 제련에서 나오는 부산

물로서 가격이 싸다. 그래서 저렴한 가격에

고-에너지 재충전 리튬 배터리를 생산할 수

있다는 매력이 있다. 더욱이 Li-S 화학의 유

일한 면모가 고유 화학 과전압 보호를 제공

해준다는 것이다. 그것은 안전을 담보할 수

있는, 특히 고용량, 다전지 배터리 팩을 위해

서도 대단히 좋다. 황(S)을 기초로 한 전기화

학전지에 관한 것이 1962년도에 발표되었다.

그러나 황(S)의 전자론적 절연성질, 보통

의 액체 유기전해질들에 폴리설파이드 중간

물 형성의 용해도, 음극으로서의 금속Li전지

사용 등이 수세기 동안 만족스럽게 해결되지

않았다. 추가해서, 그 전해질에 형성된 폴리

설파이드들은 리튬 금속 음극에 옮겨가서 잘

알려진 “왕복반응” 같이 전기화학적으로 환

원된다. 그 결과로 낮은 쿨롱 효율이 생기고,

Li-S배터리에선 급하게 전지용량이 줄어든다.

최근에 Li-S에 기초한 재충전 배터리의

흥미로운 점들이 서서히 증가하고 있는데, 이

는 재료 자체의 전도성에 관계된 약점을 보


KOSEN Expert Review



페이지 6/17

완할 수 있는 새로운 나노 구조 재료구축을

설계할 기회를 만들어내기 때문이다. 더욱이,

새로운 전해질의 개발, 묶는 접속 재질, 그리

고 세포 디자인 일반 개념들이 지난 몇 년

사이에 새로운 2차전지에 기초한 Li-S의 분

야에서 괄목할 만한 발전을 이끌고 있다. 또

Li-S 배터리 기술이 의심할 여지가 없이 고

유한 높은 에너지량, 높은 에너지 힘의 능력,

낮은 가격대 등에 힘입어 계속 발전해나갈

수 있는 여러 장점이 있어 보이기 때문이다.

Li-S전지에서 양극은 다공성 전자 접촉

호스트, 전자들을 절연성 황(S)에 운반해주는

지극히 중요한 부품으로 구성된다. 방전될 때

에는 리튬 음극으로부터 산화된 리튬 이온

(Li+)들이 외부 회로를 거쳐 통과된 전자들이

전해질을 통해서 옮겨간다. 황(S)은 Li2S로 환

원되는데, 그 황은 역시 우수한 절연체이다.

그 반응들은 놀랍게도 가역적이다.

Li-S전지들의 개발은 반세기 전부터 시

작되었고, 상대적으로 비교적 간단한 형상 배

열로 구성된다. 음전극, 양전극, 그리고 전해

질이 있는 부분으로 배치된다. 장차 Li-공기,

Li-이온 배터리 시스템들과 같이 Li-S 시스템

은 리튬 배터리 사업으로 희망이 있어 보인

다.

4.2. 재충전 Li-공기 배터리 시스템

Li-공기 배터리 시스템들은 이론적으로는

상급 에너지밀도를 보여주고 있고, 리튬 배터

리들의 “성배(Holy Grail)”가 될 것으로 고려

되고 있다[표 1].

표 1. Li/O2, Li/S 와 가솔린(Gasoline) 시스템들의 상대적인 비 에너지 값의 비교[1]

시스템 반응식 OCV*(V) 비-에너지 이론 값(Wh/kg)

Li/O2 2Li + O2 = Li2O2 3.1 3,623 (0 을 포함)

4Li + O2 = 2Li2O 2.9 3,623 (0 을 포함)

4Li + O2 = 2Li2O 2.9 3,623 (0 을 포함)

16Li + S8 = 8Li2S2 2.0 2,600

Li-ion LixC6 + Li1xMO2 = C6 + LiMO2 2.6 -900

(e.g., C6/LiMO2 ) (M=Mn, Ni, Co)

Gasoline(Octane) C8OH18 + 12.5O2 = 8CO2+H2O -1,300

*OCV: Open-circuit voltage (열린-회로 전압)

Li-공기 배터리들의 에너지밀도는 리튬

이온(Li+) 배터리들의 크기보다 차원이 한층

더 높다. Li+이온들의 용량을 전지 수준에서

보면 150-200Wh/kg(이론적으로는 900Wh/kg)

에 이르나 Li-공기 배터리들의 용량은 3,620

Wh/kg(3.1V에서 Li2O2로 방전되었을 때) 또는

5,200Wh/kg(3.1V에서 Li2O로 방전되었을 때)

이다[3]. 그 계산에서 “자유”산소를 방전하는

동안은 공급해주고, 충전시키는 동안은 방출

해주는 것을 포함시키지 않았을 때 Li-공기

배터리들에 대한 값은 ~11,000Wh/kg이다. 이

것은 근본적으로는 휘발유 옥탄(Octane)에 대

한 값(~11,000Wh/kg)에 버금간다. 다른 배터리

기술들과는 다르게 Li-공기 배터리 시스템들은

액체연료들의 연비와 비슷하게 경쟁이 된다.

Li-O2 배터리의 작동은 리튬과 산소에 저

장된 화학 에너지를 리튬 이온(Li+)의 산화와

환원된 산소로 전환시켜주는 것에 기초를 두

고 있다. Li-O2배터리는 Li+이온 배터리와는 좀

다르다. Li-O2배터리는 다공막을 통해 공기로부

터 받아드린 산소(O2)가 전자(e-)를 받아들이고,

다시 산소 이온(O2-)이되어 리튬이온(Li

+)과 함

께 반응하면서 전지 파워를 내고 Li2O가 생성

된다[3]. 다음 [그림 4]에 보이는 바와 같이

Li-공기 전지가 방전되는 동안 리튬이 금속

리튬 양극에서 Li+이온으로 산화된다. 그 금

속 Li+양극은 비수용매로 구성된 전해질들을

통하여 그 역할을 수행한다. 그리고 탄소, 촉

매, 탄소 종이 바탕에 쌓인 바인더로 구성된

다공막, 음극 위에서 공기로부터 받아드린 산

소(O2)와 반응한다..


KOSEN Expert Review



페이지 7/17

그림 4. 비수용성 Li-공기 배터리의 도형. 전형적인 비수용성 Li-공기 전지는 리튬 전극, 유기용매에 용해된

리튬 염과 탄소 입자들, 어떤 경우에는 부가된 전기 촉매를 함유하는 다공성 O2-흡입 전극 등으로 구성된다.

여기서 배터리는 다공성 음극(Porous Cathode), 전해질(Electrolyte), 리튬(Lithium) 양극 등으로 구성되어 있다[1].

Li-공기 배터리 기술은 높은 비에너지밀도

와 전지 구성 부품들의 낮은 가격 등에 기인한

면에서 보면 Li-이온 배터리 시스템에 비해서

현저히 우수하며 가능성이 있다. 특히, 탄소(C)

를 기본으로 한 음극 재료들과 Li-이온 배터리

양극들에서 사용한 니켈(Ni), 망간(Mn), 코발트

(Co) 산화물들을 비교하면 그 가능성이 더욱더

많다. 비수용성 전해질이 더 좋은데, 이론적으

로 수용성 전해질 설계보다는 더 높은 에너지

밀도를 보여주기 때문이다.

현재, Li-공기 배터리 시스템에 관한 기술

은 아직도 실험단계에 있다. 그리고 그 높은

이론적 에너지밀도들의 실현성과 이 기술의 실

제적 적용은 그 전지의 낮은 힘 출력(즉, 낮은

전류밀도), 부족한 순환 능력과 낮은 에너지

효율 등이 검토 대상이 되고 있다. 이들 제한

성에 관한 것들은 여기에 들어가는 재료와 시

스템의 설계 등에서 원인을 찾아볼 수 있다.

(1) 불안전한 전해질들. 현재 비수용성 카보

네이트(carbonate) 전해질들은 휘발성이며,

고전위차에서 불안정하여 쉽게 산화되고,

산소가 있는 리튬 전극에서 환원된다.

이것은 수명 사이클에서 심각한 한계를

가져온다.

(2) 산소 넘침에 기인해서 리튬 전극독과 전

해질과의 반응으로 전지의 기능과 용량

이 낮아지며, 수명사이클 또한 저하된다.

(3) 탄소 양극 표면 위에 Li2와/또는 Li2의 축

적 또는 다공들은 고장을 유발하고 산소

의 흐름을 억제시킨다. 그 결과 전지 용

량을 낮춘다.

(4) 비효율적 양전극 구조와 촉매작용, 보통

사용된 탄소와 음극 촉매들은 산소 전극

의 용량을 충분히 충족시키지 못하고 전

하의 과전위차를 현저히 유발하게 한다.

그 결과로 그 전지의 파워 용량을 낮춘

다.

최근에 전해질들이 Li-공기 전지의 수행

과정에서 중요한 역할을 한다는 것을 알게 되

었다. 충전이나 방전되는 과정에서 형성되는

산소 음(-)이온 라디칼(radical), O2-이 대단히 반

응이 크고, 기대했던 과산화 리튬 형성보다 전

해질 분해에 의하여 독점될 전기화학반응을 유

발한다. O2-호흡 음극의 재료와 그 미세 구조뿐

만 아니라 완전무결한 전해질의 개발이야말로


KOSEN Expert Review



페이지 8/17

어떤 면에서는 Li-공기 배터리 기술을 확실하게

발전시키는 일이 될 것이다. 이 분야의 발전은

양극, 음극, 전해질 등에 관련된 신소재 기술개

발에 달려있다.

4.3. 재충전 마그네슘 배터리 시스템

Mg-바탕 배터리는 원리적인 면에서 보면,

리튬 배터리들을 비롯해 다른 배터리들과 비교

해서 기존 배터리들을 대체할 수 있는 제일 매

력적인 배터리이다.

금속 마그네슘(Mg)은 리튬(Li)보다 값이

훨씬 싸다. 왜냐하면 마그네슘은 지구의 표피

에 충분히 많은 양이 존재하기 때문이다. 그리

고 마그네슘과 그 화합물들은 보통 독성이 적

고, 리튬에 바탕을 둔 화합물들보다 더 안전하

다. 그리고 마그네슘은 가볍다. 또한 이론으로

그것은 전지의 정량 에너지밀도를 잡을 수 있

다고 보고되어 있다[4].

재충전 Mg 배터리들은 약 1 세기 전 처음

으로 모범적인 연구로 시범을 보였던 이래, 에

너지 저장과 전환을 위한 아주 약속된 기술이

었다. 그것은 에너지밀도와 자가 방전 속도로

보면, 2,205mAh/의 비용량을 제공한다. 적절한

디자인과 구조설계는 Mg-바탕 배터리를 0.8-

2.1V 범위에서 열린회로 전압을 위한 에너지밀

도, 400-1,100Wh/kg 를 갖도록 만들 수 있을 것

이다. 또 한가지의 주요한 과학적 약진은 재충

전 Mg 배터리의 첫 번째 시범을 보여준 것이

다. Mg 전극들이 충분히 가역적이고 전기화학

적 응용 범위가 적절히 넓은 비 그리나드

(Grignard) Mg 복합전해질의 개발과 고성능

Chevrel-상-바탕 Mg 음극의 발명으로 가능하게

되었다. 그러나 아직도 이들 Mg 배터리 모범

사례들의 에너지밀도와 속도능력 등이 그들을

상품화하는 데 매력을 끌지 못하고 있다. 더욱

이 Mg 배터리들은 몇 가지 심각한 한계성을

드러내고 있다. 이를테면 음극과 전해질들 사

이의 잘 섞이지 않는 점을 비롯해서 그 전해질

들의 불안정과 좁은 전기화학적 성질이 문제이

다. 그리고 고체상태 상에서 Mg2+양이온들의

느린 분산 속도가 아직 문제로 남아 있다. 앞

으로 제 2 의 마그네슘 배터리 개발의 실현이야

말로 중요한 관건이 되겠는데, 이 문제를 푸는

데 있어서는 다음의 두 가지 요소가 해결되어

야 한다. 첫째는 Mg 전극들이 구성되어 있는

마그네슘 이온들을 담은 전해질 용액들의 개발

이고, 둘째는 마그네슘 이온(Mg2+)들이 재빨리

확산될 수 있도록 허용하는 삽입 물질, 화합물

들의 개발이다. 현재까지 개발된 물질들 중에

서 효과가 있는 화합물로는 Mg(TFSI)2 가 있는

데, 여기서 TFSI(Trifluoromethane sulfoneimide)는

신소재로서 재충전할 때에 가역적으로 마그네

슘 배터리의 전압과 전지의 용량을 크게 해줄

수 있는 물질이다. 종합적으로 양전극과 음전

극의 시험 검토를 통하여 전해질들의 조건을

찾아 목적에 맞도록 Mg 배터리 신제품을 만드

는 것이 최선의 길일 것이다. 그 다음에는 배

터리 제품의 표면처리에 관한 문제점 파악과

개선 개발이 중요하다.

5. Li 금속 표면의 안정화

현재로선 리튬(Li) 금속이 제일 많은 유리

한 성질들을 가지고 있다. 극히 높은 비-용량

의 이론적인 값(3,860mAh/g)을 비롯하여 낮은

전기화학 포텐셜(Potential, 표준 수소전극 대비

-3.040)와 에너지 저장기로서 대단히 요구되고

있는 전극을 만드는데 필요한 저밀도(0.5g/cm3)

의 값을 가지고 있다. 그러나 1 차 Li 배터리를

여러 상품용으로 적용해 사용하기 위해서 Li

금속 양극들이 비록 40 여 년간 연구되어오긴

했지만 아직도 완전하게 성공을 이루지 못하고

있다. 금속 Li 층에서 고체 전해질 내부상(SEI:

Solid electrolyte interphase)이 생긴다.

그 SEI 층이 전해질과 음극 사이의 계속되

는 반응을 막아 오래도록 배터리를 안정적으로

쓸 수 있게 해준다. SEI 형성이 일어나는 것은

리튬이 열역학적으로 용매들 속에서 불안정하

다는 것을 입증해준다. 그 외에 여러 가지 문

제점들 중에서도 특히 반복되는 충전/방전 과

정에서 생기는 높은 표면적 구조의 Li-나뭇가

지 모양 결정체, 덴드라이트(Dendrites) 성장과

반복되는 전기 축적에 의한 낮은 쿨롱 효율

(CE: Coulombic efficiency) 등이 문제로 남아 있

다. 상온에서도 Li 금속은 대부분의 기체들이


KOSEN Expert Review



페이지 9/17

나 용매, 고분자, 많은 염(Salts)들과 반응해서

이온 Li-화합물들을 형성한다. 그리고 SEI 층은

이온 배터리의 전극표면 위에 절연체 수동태

형으로 남아 안정화를 이룰 수 있다[5].

5.1. Li 금속 표면

Li-금속 자체나 그 Li 금속 표면들의 반응

성은 실제로 대단히 높다. 그 전기화학적 환경

문제에서 전해질 반응들, 전해질 상호작용과

그들의 표면성질들을 이해하는 것이 중요하다.

일찍이 초고진공(UHV: Ultrahigh vacuum) 연구

들이 리튬 필름을 깨끗하게 하는데 용매 고분

자화 반응과 초기에 SEI 층이 표면에 형성됨을

확인하였다. 이들 아이디어를 전기화학 전지들

에 확장시켜 여러 가지 전해질 용매, 염, 전기

축적 파라미터들과 코팅 영향 등과의 반응시험

을 검사하는 연구들이 많이 이루어졌다.

5.2. Li 금속 표면특성 검증

화학적 변환보다는 몰포로지(morphology)

변화에 초점을 맞추게 되면, SEM(Scanning

Electron Microscopy)을 연구자들이 많이 사용하

게 된다. 그들은 SEM 측정 방법을 통해서 시

간에 따른 시판 상업용 배터리 전해질들에 관

해서 점차적으로 노출된 리튬 포일 표면을 검

사할 수도 있을 것이다.

Li-금속의 연구를 위해서 사용할 수 있는

표면특성 검증 장비로는 SEM 이 있다. SEM 은

리튬 전극들의 표면 몰포로지, 표면 성분 분석

등에 사용되는 유용한 장비이다.

Li 의 SEI 형성에 포함된 실제 화학 종들

을 좀 더 잘 이해하고 파악하고자 한다면, 여

러 가지 기술적 방법들이 활용되어야 한다. 가

장 손쉽고 간편한 직접적인 방법들 중에는

FTIR(Fourier Transform Infrared), Raman,

NMR(Nuclear Magnetic Resonance), XPS(X-ray

Photoelectron Spectroscopy), EDS(Energy-Dispersive

Spectroscopy) 등이 있다. 이들 방법을 이용해서

연구된 내용들 중에는 Li-금속 표면에 Li2O,

LiOH, LiF, Li2CO3, 그리고 그 외 여러 가지 리

튬 알킬카보네이트(RCOOLi; R=alkyl)들이 있다.

이들 방법들 중에서도 NMR 이 화학결합이나

원자들 주위에 각 성분들을 찾아내는데 강력한

검증 도구가 될 수 있다. 그래서 Li+양이온들

주위에 전해질들이나 Li 덴드라이트들이 형성

된 것들이나 Li-금속을 바탕으로 한 고용량 저

장 시스템까지도 확인할 수 있다.

5.3. Li 금속 표면보호 코팅

최근의 개발들 중에서 하이라이트는 액체

전해질들이 존재하는 가운데서 Li-금속을 어떻

게 안정화시키느냐 하는 것들을 찾아낸 새로운

방법들이다. 이전에는 금속 표면에 용해 전해

질 단위체를 그대로 중합시켜 금속의 표피 표

면을 코팅하는 층을 생성하도록 만들거나 Zintl

염들을 그대로 표면에 형성시키는 각종 방법들

을 사용하였다. 그런데 아주 최근에는 금속표

면에 물리적으로 보호 층을 부착시키기 위해서

Li-금속의 표면에 부착된 자연 말단 하이드록

실(-OH)층을 이용한다. 최근의 방법 중, 첫 번

째는 Li-이온 배터리 유기전해질들 속에 강화된

안전도를 보여주기 위하여 Li-금속 표면에 사

이렌(silane)을 코팅 생성시켜 직접 화학결합을

만들어주는 기법이다. 부가된 사이렌 위에 치

환된 염소(Cl)와 깨끗한 Li 표면 위의 자연 말

단 OH-층의 프로톤(H) 사이에 자기-말단 반응

에 의해서 생성된 층이 접촉 면에 생기게 되면

용액의 전해질들에도 안전하다. 사이렌으로 코

팅된 Li 표면은 최적의 조건만 갖춰주면, 조절-

표준 전지와 비교해서 두 세배의 수명으로 연

장시킬 수 있다.

두 번째는 표면에 그 사이렌을 물리적으로

부착시키는 대신 알코올로 치환하는 방법이다.

그 금속을 TEOS(Tetraethoxysilane)에 노출시키

게 되면, 금속 표면에 착화합물 유기실리콘 필

름이 배의 돛 포인트와 같이 부동층으로 생겨

안정화가 이루어진다. 일반적으로 SEI 형성층

필름(보기, 1,3 dioxolane 에 의한)에 비교해보면,

그 필름은 반응되지 않은 것이 있어 부분적으

로 결함이 생길 수 있다.

5.4. Li 금속입자 표면 안정화


KOSEN Expert Review



페이지 10/17

Li 금속을 음극으로 직접 사용하는 것은

특히 안전하다. 다만, 금속 Li-배터리 수명을 연

장시키는 일이 중요하다. 전기화학 전지에서

Li 금속을 사용하는 것들 중 표준 리튬 배터리

전지를 디자인하는데 있어 전지의 수명을 연장

시키기 위해 새로이 도전하는 접근방법이 필요

하다. 즉, Li 금속의 성질을 확실하게 잘 파악

하고 물리화학적으로 완전하고 안전한 표면을

갖도록 해주는 것이다. 직접적인 합병 방법으

로 추천할 수 있는 하이브리드(hybrid) 접근 방

법은 재래의 전기화학적 전지에 비교했을 때

전기용량을 높일 수 있고, 전기에너지의 승압

기와 같은 역할로 작동시킬 수가 있다. Li 금속

전지를 개발 향상시키는데 이와 같은 주제가

하나의 연구개발 목표가 될 수 있다. 하나의

예를 들면, Li 금속 자체를 표면 안전 층으로

쓰기 위하여 Li2CO3 가루로 가공한다든지 표면

처리 방법을 동원하여 개선 발굴할 수가 있다.

이 물질은 FMC Lithium 회사에 의해 상업용 리

튬카보네이트, SLMP(Stabilized Li-metal Powder)

로 생산된다. 진하고 엷은 방어층은 Li 금속

전지를 위해 표면에 견고히 존재하고, 용매나

공기 중에서도 그 금속은 SLMP 표피를 이루

어 안전하다. SLMP 입자들의 낮은 배율 SEM

의 사진이 [그림 5a]에 나타나있다. 이것은 생

산된 SLMP 크기가 지름 ~5um-50um 정도이다.

그리고 광학현미경으로 SLMP 입자들을 보았을

때 영상이 [그림 5b]에 나타나있다. 그 SLMP

자체 입자들의 색은 금속 은색으로 보인다. [그

림 5c]은 그 SLMP 의 높은 배율에 의한 SEM

영상 사진이고, [그림 5d]은 리튬 카보네이트 가

루 코팅층을 보여주는 높은 배율의 SEM 영상

사진이다. 이 물질들의 분석에서 나타난 것을

검증해본 결과, 그 SLMP 표면에서 97% Li 금속

과 3%의 Li2CO3 으로 구성된 것이 확인되었다.

리튬 카보네이트 코팅의 표면 성질들을 알아보

기 위해서 전기화학적 검사를 한 결과, 개별

SLMP 중에 Li2CO3 의 전도도는 대 략 ~10-6

S/cm 이었다. 전통 Li-이온 배터리에서 사용했

을 때, Li 금속 코팅 흑연(C) 전극은 확연히 용

량이 향상되었다. 왜냐하면, 부가적으로 활성인

Li 금속을 사용했기 때문이다. 리튬(Li)은 흑연

탄소(C)보다는 다른 SEI 를 가지고 있기 때문

에, SLMP-바탕 전극들은 조절 가능 교대 루트

로서 작동시킬 수 있고 SEI 층 형성과정을 교

묘히 잘 다룰 수 있다는 장점이 있다.

그림 5. (a) SLMP(Stabilized Lithium-Metal Powder) 입자

들의 낮은 배율 SEM(Scanning Electron Microscopy),

(b) SLMP 입자들의 광학현미경 사진(FMC 리튬 법

인회사의 특별취급 영상), (c) 그 SLMP 의 높은 배율

SEM 영상, (d) Lithium carbonate 코팅 층의 높은 배율

SEM 영상[5].

이 방법은 Si 와 Sn 같이 양전극으로서 적

용할 수 있는 물질로 효과적으로 유용하게 사

용된다. 그것은 첫-사이클 용량의 손실과 높은

에너지 Li-이온 배터리들로서의 활용가치가 있

어 다음-세대에 흑연탄소(C)보다 화학적으로

더 안전하고 유사한 SEI 층의 전지로 평가될

것이 다. Li 금속은 높은 전지용량 재충전 배터

리용으로 다음 세대를 위한 이상적인 양전극을

갖는 전지가 될 것이다. 이것은 Li-이온, Li-S,

Li-공기, 그리고 특정 삽입 화합물-Li 배터리들

에도 적용할 수 있기 때문이다. 좀 더 간편하

게 이용할 수 있고 제반 사양을 개선하여 개발

하여야 할 일들은 전해질이나 첨가물 등과 같

이 추가하여 병합될 수 있는 신소재들의 개발

이다. 충전과/또는 방전되는 동안 안전하게 상

태를 유지하고, 보관할 수 있는 고체 전해질

내부상(SEI: Solid Elec-trolyte Interphase)이 필요

하다. 이때에 Li-SEI 는 그 전지의 쿨롱 효율을

개선할 수 있다.


KOSEN Expert Review



페이지 11/17

6. 다음-세대 리튬 배터리 전망

여러 가지 배터리들이 소개되어 우리 일상

생활에서 필수품들 중 하나로 자리매김하여왔

다. 그것들 중 재충전 리튬-이온 배터리가

1990 년대 처음으로 일본 소니(Sony)사에 의해

서 상업용으로 시판되었고, 그 후로 Li-이온 배

터리 기술은 전자 시장에까지 파고들어 성장하

게 되었다. 더욱이 이제는 우리가 살며 통신하

는 휴대용 전자 제품들에서는 리튬-전지들이

필수 불가결한 존재로 취급되게 되었다. Li-이

온 배터리들의 미래는 연구에서나 실용적인 면

에서도 매우 밝다. Li-이온 화학분야에선 에너

지 저장용뿐만 아니라 플러그-인 하이브리드

전기자동차(PHEVL: Plug-in Hybrid Electric Vehi-

cles), 휴대용 전화기 등에 에너지원으로 사용

하기 위하여 장착하여야만 한다. 전자제품 소

비자들이 손에든 Li-이온 배터리들이 성공적이

라고 평가됨에도 불구하고 아직도 운송 적용,

특히 안전이나 가격적인 면에서 더 많이 고려

하여 해결되어야 할 일들이 많이 남아있다. 이

런 일들을 해결하고 제반 문제들을 풀기 위하

여 이미 성장 발전해온 전기자동차 시장이나

각종 연구 결과들에서 관련된 지식들을 모아

재분석할 필요가 있다. 그런 많은 도전들로 Li-

이온 전지들을 좀 더 새롭고 가볍게, 그러나

전지의 용량은 크게 높일 수 있는 희망을 가질

수가 있는 것이다. 현재 새로운 Li-이온 전지

관련 재료들에 대한 많은 연구들이 진행되고

있다. 여기서는 미래의 약속을 전망하면서 주

로 재충전할 수 있는 Li-이온 배터리들에 관한

내용과 장래 고성능 배터리의 관심 대상을 정

리한다.

6.1. 기본 작동원리

2 개의 전극(양극과 음극), 분리기, 액체 전

해질들로 구성되어 있는 것이 전형적인 Li-이

온 배터리이다. 편의상 음극(Cathode)을 음전극

으로 하고, 다른 한편으로 양극(Anode)을 양전

극으로 한다. 예를 들어 본 그림의 배터리에서

충분히 방전되어 있던 것을 다시 충전을 시작

하는 과정을 보기로 한다. 충전하기 위해서는

전화기를 플러그(plug)에 꽂아 에너지를 공급하

지 않으면 안 된다. 이런 과정을 거치고 나면,

리튬 이온(Li+)들은 음극으로부터 유도되어 이

온-전도 분리대와 전해질을 지나 양극으로 옮

겨간다. 각각의 리튬 이온(Li+)이 순 양(+)의

전하를 띠고, 추진력으로는 순 음(-)의 전하, 즉

1 개의 전자를 생산하므로 시스템 자체는 중성

의 상태를 유지하게 된다.

그러나 전해질은 전자들을 지휘하지 않으

므로, 음성 전하는 음극으로부터 다른 길을 택

해 외부 회로를 통해서 양극으로 흘러가 결합

하게 된다. 이리해서, 제거된 모든 리튬 이온을

위해 그에 상응하는 전자들은 외부 회로를 통

해 흘러가게 되어 있다. 결과적으로, 음극 물질

(예, Mn, Ni, Co)들은 전형적으로 음극을 만들게

되는 전이금속들이며, 충전하는 동안에 전자들

을 잃어서 산화된다. 그러므로, 에너지는 원래

석탄, 가스, 태양, 바람 등을 이용해서 그것들

로부터 얻어 저장하여야 한다.

이상적으로는 모든 리튬이 음전극으로부터

양극으로 옮겨가면 회로가 망가질 수 있게 되

며, 그 배터리는 충분히 충전된 상태에 있게

저장된 에너지가 필요할 때는 그 회로를 다시

맞추고 전체 과정이 역으로 일어나도록 해주면

된다. 특히 리튬 이온들은 그에 상응하는 전자

들이 외부 회로를 통해서 돌아가는 동안에(전

이금속들은 이제 환원되고, 전자들을 얻음) 그

과정이 완성되고 배터리가 재충전을 위해 기다

리다 수명을 다할 때까지 음극으로 되돌아가게

된다. 그 배터리의 주요 구성 부분, 즉 양극,

음극, 전해질들이 전 과정을 수행하는데

중요한 역할들을 한다. 더욱이 배터리들이 각

성분들과 공동으로 일들을 맞춰가는데 긴밀하

게 다른 부품들과 연계되어 일들을 수행하게

된다.

6.2. 음극(Cathode)

현재 상업적으로 사용되고 있는 각종 음전

극들에 대하여 Li/Li+대비 실제 달성할 수 있

는 작동 전압과 결정밀도, 탭(Tap) 밀도, 용량

들에 관한 데이터를 상호 비교하여 볼 수 있도

록 [표 2]에 나타내었다. LiCoO2 층상 물질이

거의 25 여년 동안 사용되어온 음극 재료들 중

우수한 용량을 가지고 있는 대표적인 음극재료


KOSEN Expert Review



페이지 12/17

임을 알 수 있다.

표 2. 여러 가지 음극 물질들을 위한 Li/Li+의 실제 달성할 수 있는 작동 전압 및 용량들[6]

재료

Voltage

(Ave, vs Li/Li+)

Capacity

(mah/g)

Crystal

Density

(g/cm-3)

Tap

Densoty

(g/cm-3)

Sp. En.

(Wh/kg)

Vol En

(Wh/l)

LiCoO2 3.8 150 510 2.9 570 2907

LiNi1/3Co1/3O2(NMC) 3.7 170 4.75 2.5 620 2988

LiNi08Co30.15A10.06O2(NCA) 3.7 185 4.85 2.5 685 3222

LiMn2O4 4.0 110 4.31 2.5 440 1895

LiFePO4 3.4 160 4.60 1.5 544 1958

0.5Li2Mn:0.5LiMO2 3.6 230 3.30 1.8 828 3560

LiMn1.5 Ni0.5O4 4.7 135 4.40 2.0 635 2794

결정 밀도(Crystal density)는 이론의 값이고, 탶 밀도(Tap density)는 실제 실험적으로 측정한 값이다.

NCA(Nickel, Cobalt, Alu-minum)와 NMC(Nickel,

Manganese, Cobalt)의 Li 복합 물질들도 우수한

재료들이다. 안전도나 가격적인 면에서도

LiCoO2 는 그런대로 괜찮은 요건을 갖고 있다.

다만 충전을 높이 채웠을 때만 열로 인한 안전

도가 다소 떨어진다. 자동차용 배터리와 같이

대량으로 쓰이는 용도를 위해서 개발된 제품으

로서는 NCA-바탕으로 한 전극이 좋은 것으로

평가되었다. 여기에는 니켈, 코발트, 알루미늄

등의 금속들이 들어간다. 실제적으로 쓰일 수

있는 Chevrolet’s PHEV Volt(약 40mile 전기자동

차용 배터리)가 개발되었다. 이 융합 배터리에

서는 니켈, 망간, 코발트가 들어간 NMC-바탕

의 LiMn2O4 브렌딩(blending)하여 만들어진 음

극으로 구성되어 있다. 좀 더 낮은 가격으로

안전하게 긴 거리를 운행하기 위해서는 현재

쓰이고 있는 NMC-Li 브렌드형이나 NCA-Li-화

합물 혼합형을 개선 개발할 여지가 있다.

6.2.1. Li- 및 Mn-풍부 NMC

배터리 세계의 시장에서는 5 가지의 엄존하는

사실들이 있다. 즉, 안전(safety), 가격(cost), 생

명(life), 에너지(energy), 힘(power) 등이다. 이들

이 서로 공존 조화를 이루면서 최상의 조건으

로 개발 응용해나가는 힘이 생기고 있다. 운송

을 위해서는 안전과 경제성이 있어야 한다. 가

격이 작은 부분으로 여지를 남겨놓고 있다. 이

러한 이유로 해서 망간이 다소 많이 들어간 음

전극 재료가 매력이 있다. 코발트와 비교할 때

에 망간은 지구상에서 풍부하고, 가격이 저렴

하며 또한 안전하다.

망간(Mn)이 풍부하고 고에너지밀도를 제

공해 주는 재료들 중 한 계열이 Li-과 Mn-풍부

재료인 xLi2MnO3 (1-x)LiMO2(M= Mn, Ni, Co) 조

성 음극 물질이다. 이 화학분자식에서 암시해

주듯이, 이들 물질은 Li2MnO3 와 LiMO2 의 배

합 물질이다. 그러나 이 물질들은 물리적으로

혼합된 물질답지 않게 합성하는 과정에서 나노

크기에서 두 성분들이 합성물 재료로 통합되어

최종 물질엔 독특한 전기화학적 성질들을 갖는

다. 이들 전극들은 ~300mAh/g 에 접근하는 전

기용량을 운반한다.

Li2MnO3 구조는 LiMO2 에 비해서 과량의

Li 성분이 포함되어 있다. LiMO2 단독으로 있을

때보다 과량의 리튬이 들어간 Li2MnO3 과 결합

된 복합물 구조로 되어있을 때 훨씬 전류의 용

량이 커진다. 이전에 언급된 몇 가지 NMC-바

탕 재료들은 0.05Li2MnO3-0.95LiMO2 에서와 같

이 소량의 Li 이 더 들어있는 Li2MnO3 를 함유

하고 있다.

앞에서 언급한 바와 같이 과량의 Li 이 더

들어감으로써 그 전극재료에서 활성화가 일어


KOSEN Expert Review



페이지 13/17

나 약 4.5V 이상에서 충전된다. 복합물로서

xLi2MnO3-(1-x)LiMO2-(1-y)LiM2O4 를 합성하여

시험한 결과, 유망한 전극후보 물질로 될 수

있음을 제시하였다. Li-과 Mn-이 풍부한 재료들

이 부피 에너지밀도나 탭 밀도 등의 결과가 다

좋은 것으로 나타났다. 실제 용량이 약

250mAh/g 이었으나 일 전압이 약간 낮은

<3.7V 이었다.

6.2.2. Li-Mn1.5Ni0.5O4 스피넬

앞에서 Li-과 Mn-이 풍부한 NMC 복합 물

에 대한 검토를 통하여 얻은 연구 내용과 그

결과를 토대로, 다른 한편으로 Mn-과 Ni-을 바

탕으로 한 스피넬(spinel) 음전극을 제안하였다.

실제적으로 성취된 용량이 ~130mAh/g 이었지

만, 이들 음전극들은 약~4.7V 의 작동 전압을

갖는다.

추가해서, 그 스피넬 구조는 Li 의 3 차원적

확산을 보여주는 것이 이들 전극들이 예외적인

파워 능력을 줄 것으로 예측된다. 예를 들면,

그 전극들은 10 분간 방전되는 동안 그것들의

에너지를 80% 이상 운반한다. 이래서, 그 전극

들이 용량이 부족할 때는 작동 전압과 속도 능

력에 의해서 균형을 유지하게 된다. 더욱이, 최

근의 연구에서는 고도의 조절 능력을 발휘해서

전체의 전기화학반응 수행을 잘 할 수 있도록

최적의 몰포로지(morphology)를 갖게 선도한다.

현재로선 음전극 입자들의 표면을 더 안정

되게 개선하고 있고, 가장 안정된 망간(Mn)-바

탕의 재료로서 LiMn1.5Ni0.5O4 를 합성하여 실제

밀도를 측정한 바 ~2.0-2.5g/cm-3 이었다. 이 밀

도의 값은 Co-바탕의 리튬 재료 전극 들의 값

보다는 약간 낮은 값을 갖고 있음을 조사 확인

하였다.

6.3. 양극(Anode)

Li-이온 배터리들의 양전극에 관한 판단 기

준은 낮은 전압, 고용량(무게 및 부피), 사이클

능력, 속도 능력, 그리고 안전성에 있다. 양극

으로서 종래에 가장 많이 사용해온 물질은 그

래파이트(Graphite)이다.

그래파이트가 성공적인 양전극 물질이지만,

이를 교체할만한 더 나은 다른 양전극 대체 물

질들을 찾고 있다. 실제 대체하고자 하면, 그

자체의 용량을 증대시킬 수 있고, 전체 전기화

학적 전지의 특성을 개선할 수 있어야 한다.

그런 전제하에서 새로운 양전극들을 개발하고

자 노력하고 있다.

양전극의 용량을 증대시키기 위해서 합금

과 산화물들의 혼합물들에 바탕을 둔 새로운

재료들을 찾아 탐구 노력해왔다. 예를 들면, 일

산화규소(SiO, silicon monoxide)는 순수한 마이

크론 크기의 실리콘(silicon)보다 더 좋은 회전

수행 능력을 보여준다. SiO 가 고열용량을 내는

한편, Sn-Co-C 는 좋은 순환능력과 높은 탭

(Tap) 밀도를 갖고 있다. 그러나 그 가역적 용

량(~400mAh/g)이 상업적으로 사용하여온 탄소

(C) 양전극들의 용량보다는 월등히 좋지는 않

다.

SiO-SnCoC 복합물 재료를 볼-밀링(ball

milling)으로 갈아서 싼 값으로 제조할 수가 있

다. 그것은 기체상 분리 방법과 같은 종래의

다른 방법들로 제조하는 것보다는 값이 싸게

먹힌다. 여기서 만든 재료들의 부피 밀도는 약

1.5g/cm3 이었고, 그것은 그래파이트, 실리콘 또

는 실리콘 탄소 혼합물들의 밀도보다 도 높은

밀도였다.

MaOb(M = Si, Ge) 산화물들과 고에너지 볼

-밀링에 의하여 제조했다. 그 제조된 합금

SnxCo(Fe)yCz 과 다른 합성물 재료들은 전기화

학적으로 탐구되었다. SiO-SnCoC 와 SiO-SnFeC

합성물들은 상업적으로 매력이 있는 양전극 재

료들이다. 실제 적용에선, 양 전극 시스템은 실

용적인 카운터 전극과 대비해서 전체-전지에서

수행된다. 그 전체 전지는 고에너지 화합물 음

전극 재료, HE5050(Li1.2Ni0.15Co0.10Mn0.55O2)를 카

운터 전극으로 2~ 4.5V 사이에서 장치를 맞춰

놓고 사용한다.

6.4. 전해질(Eletrolyte)

Li-전지들을 개발하는데 있어서는 양극과

음극을 개발함과 동시에 배터리 속에 들어갈

전해질들을 개발 선정하여야 한다. Li-O2배터리


KOSEN Expert Review



페이지 14/17

에서는 카보네이트를 기초로 한 Li2CO3 와 다

른 유기산 생성물들을 사용하여왔다. 그래서

여기서는 카보네이트 전해질들에 대한 검증으

로부터 새로이 개발되고 있는 에테르 전해질,

아미드 전해질, 이온과 DMSO, 수용성 철(Fe)

인산염 등을 취급한다.

6.4.1. 카보네이트(Carbonate)전해질

유기 카보네이트에 용해된 LiPF6염, 특히,

에틸렌 카보네이트(EC)와 디메틸 카보네이트

(DMC), 디에틸 카보네이트(DEC) 또는 에틸 메

틸 카보네이트(EMC) 등과의 혼합물들은 재료

연구용 불이행 Li-이온 전해질들이고, 그 성질

들이 최상이기 때문에 전지제조 구성물들이 된

다. 그러나 이들 카보네이트 용매들은 낮은 전

압 안정도를 갖는다. XPS(X-ray Photoelectron

Spectroscopy)와 FTIR(Fourier Transform Infrared)

을 이용해서 Lucht 공동연구자들이 EC/DMC/

DEC-바탕으로 한 전해질들이 Li/Li+ 대비 4.5V

에서 분해한다.

그래파이트/LiNi0.5Mn1.5O4(LNMO)전지 카보

네이트를 기초로 한 전해질들의 전기화학적 현

상들이 탐구되었다. 그리고 고전압 전해질들을

위한 연구는 고에너지밀도들과 Li-이온 배터리

들을 개발하는 것이 우선되어야 한다는 것을

알아둘 필요가 있다. 카보네이트 전해질들을

구체적으로 연구하여 리튬 전지를 개발하는데

적용하는 것은 매우 필요하다.

6.4.2. 에테르(Ether)전해질

최근에 Li-O2 전지들을 위한 비수용성 전

해질들에 대한 광범위한 연구들로 인해서 에테

르(ether), 아미드(amide), 이온액체(IL; ionic

liquid)와 DMSO 등의 기초에 그들이 첫째로

방전할 때는 Li2O2 이 생성한다는 것이 지배적

이고, 두 번째로 재충전 시에는 그것을 걷어낸

다는 것이 우세하다. 에테르들은 Li-O2 배터리

에 대해서 매우 좋다. 왜냐하면 그것들은 매우

안전하고, 값이 싸고, 리튬 금속 양전극들과 합

치하는 성질이 있다. 유기 카보네이트들과 비

교해서 환원된 O2 종들에 대해서 안정적이다.

그리고 그것은 상대적으로 높은 산화력(Li/Li+

대비 4V 이상)을 가지고 있고, 긴 사슬을 가진

에테르들의 경우에는 낮은 휘발성을 가진다.

그러나 아직도 실험적으로나 이론적으로

에테르를 기초로 한 전해질들은 Li-O2 전지들

에 대해서는 적절치 않다고 지적하고 있어 좀

더 많은 연구가 필요하다. 에테르들은 자동산

화반응들의 환경에 둘러싸인 조건하에서는 과

산화물(peroxides)들을 형성한다고 알려져 있다.

이 자동산화에 대한 불안정성이 더 분해 반응

을 일으키는 원인으로 그 용매의 첫 공격이 이

루어지는 길이 가능하다고 확인하였다.

6.4.3. 아마이드(Amide)전해질

아마이드(Amide)들은 O2 환원 연구들을 위

하여 광범위로 사용되어온 친핵성 공격과 염들

에 대하여 대단히 안전한 것으로 알려진 주요

한 용매이다. 이론적 계산과 KO2 의 스크린 연

구들은 그 반응물들의 형편이 나쁜 안정도에

기인해 탄소들에서 친핵 치환에 대한 높은 에

너지 장벽을 암시하고 있다.

그 계산들은 또한 자가산화 반응에 대해서

아마이드들이 에테르들보다 훨씬 더 안전하다

는 사실을 보여주고 있다. 아마이드들은 O2 에

의해서 프로톤 추출되기 위해서 높은 활성화

에너지를 필요로 한다. DMF (Dimethylform-

aldehyde), DMA(Dimethylace- tamide)는 Li-O2

배터리들을 위한 기초 전해질들로서 조사 연구

되어왔다. DMF 는 에테르보다 더 안정적이나,

약간 파생적 반응들이 일어난다. 그래서 현저

히 용량이 소모되는 현상이 관측되었다. DMA

전해질과 함께하는 전지들이 더 좋은 출력, 80

사이클까지도 전압 프로필이 재현되는 것을 보

여주었다.

6.4.4. 이온액체와 DMSO

KO2 와 부피측정 방법에 의해서 검사한 화

학약품은 이온액체(IL: Ionic liquid)의 안정성이

유기 카보네이트 용매들보다 훨씬 크다는 것을

암시해준다. 그러나 이온액체들을 정제하는 것

이 어렵다는데 기인해서, 남아 있는 불순물들

이 순환능력을 상쇄해온 관측된 기생물 반응에

대한 이유가 될지 모른다. 비수용액 매체에 O2


KOSEN Expert Review



페이지 15/17

환원반응을 연구하기 위해 자주 써왔던 DMSO

에 기초한 전지들은 그 음전극에서 방전 생성

물 Li2O2 의 가역적 형성/분해를 갖는 순환을

유지해온 것을 보아왔다. DMSO 안에 1M

LiClO4 에 탄소 양극 속에 방전 생성물을 FTIR

로 분석한 결과 약간의 Li2CO3 와 HCOOLi 들

을 따라 함께하는 Li2O2 의 형성이 대부분이라

는 것을 확인해줬다.

재충전 Li-O2 배터리들 안에 있는 전극 재

료와 비수용성 전해질들의 안정성에 관해서 더

많은 연구가 필요하게 되었다. 반응들은 곁가

지 반응들 없이 반응이 진행되질 않는다. 그러

므로 어떤 부차 반응들이 일어날 것인지가 아

니라 안정도가 무엇을 요구할 것인지 라는 질

문이 생긴다. 이런 면에서, 두 가지 영향이 고

려되어야만 한다. 즉, 첫째는 곁가지 반응의 정

도, 용매의 분해, 염, 전극, 고체를 형성하는 바

인더, 기체 또는 용해된 부산물들, 이들은 어떤

특정 성분들을 고갈시키고, 소비되어 쉽게 망

가지는 것들이 넘쳐나게 된다는 것이다. 둘째

는 그 부차 반응 생성물들의 성질과 가역적 전

기화학의 영향들에 관한 것들이다.

이 점에 주목해보면, 기생하는 반응들의

생성물들은 그 전극들을 부동으로 만들지는 않

는다(즉, 예를 들면 그 부산물들은 표면으로부

터 확산해 멀리 가버린다.). 만일 그렇게 될 수

없다면, 그것들은 현저한 과전위를 도입함이

없이 전하 위에 쉽게 분해되어야 한다.

다른 한편으로, 상대적으로 미소한 분해

정도는 전기화학에서 불균형적으로 큰 해로운

효과를 주게 된다. 이것은 탄소 전극들과 많은

전해질들에서 일어나는 일인데, 전극 표면에

고체 절연성 Li2CO3 를 형성하게 되고 편극 작

용이 생겨 전지가 수명을 다하게 된다. 다공성

Au 전극과 DMSO 의 조합은 Li2CO3 보다 다른

부산물들을 생산해낼 것이고, 이래서 커다란

편극 현상을 피한다.

앞으로 이온 액체와 DMSO 로 합성한 전

해질들에 관한 연구는 새로운 전지들을 개발하

는데 좋은 방향을 잡아줄 수 있을 것이다

.

6.4.5. 수용성 Li-산소 배터리

수용성 Li-O2 배터리들에 음극으로서 보호

된 리튬 금속을 개발해온 사례들을 소개하고자

한다. 수용성 전지들은 비교적 비수용성 전지

들 보다는 아직 주의를 끌지 못해왔는데, 그

이유는 리튬과 물 사이엔 매우 격렬한 반응이

발생하고 있기 때문이다.

안전하고 안정될 수 있는 음극으로 Li 금

속을 개발하려는 노력들이 40 여년 동안 있어

왔다. 그런데 반복되는 리튬의 용해 문제와

리튬이 퇴적되어 덴드라이트를 형성하는 문제

때문에 어려운 점이 많다. 그 덴드라이트

(Dendrites)들의 형성은 배터리 기능을 저하시

킨다. 그리고 음극에 들어가 회로를 차단시켜

배터리를 망가트린다. 아직 재충전 리튬 음극

배터리가 시장에 나오질 않았다.

모든 재충전 Li-이온 배터리들은 Li 을 안

에 넣고 알루미늄(LiAl), 탄소(LiC), 또는 아주

최근엔 주석(Sn)이나 실리콘(Si)과 같은 물질로

겉을 둘러싼다. 리튬-공기 재충전 Li-O2 배터리

제작을 위해 PEGDMA(Polyethylene glycol dime-

thyl ether)를 Li(CF3SO2)2N-(LiTFSI)과 같이 담

아서 전형적인 비수용액에 리튬 덴드라이트 형

성을 연구하였다(Zhang, et al.).

그 Li/PEGDMA-LiTFSI/L 전지는 0.2mA/cm2

에서 21.4h, 1.0mA/cm-2 에서 4.0h 편극 현상이

난 후에 회로가 줄었다. 알루미늄-리튬 합금

(AlLi)이 덴드라이트 문제를 해결해줄 수 있다

는 보고도 있으나 합금 전해질들은 작동되는

동안 부피 변화가 크기 때문에 단지 제한된 사

이클 수만 작동한다.

리튬 덴드라이트 형성을 감소시켜주기 위

하여, 고체 전해질들을 전기자동차용으로 개발

하고 있다. 이론적 계산에서 보면, 6GPa 의 모

듈을 갖는 균일 고체상태 전해질은 과감하게

덴드라이트 형성이 줄어든다. 세라믹 재료들의

모듈은 일반적으로 6GPa 보다는 더 높으므로

Li 금속과 세라믹 Li-이온 전도체 사이의 덴드

라이트 생성은 아주 작거나 없다고 기대된다.

복합재료 Li/Li3N/Li1+xAlxTi2-

x(PO4)3(LATP)와 Li/Li3-xPO4-yNy/LATP 이 함께

보호된 리튬 금속 전극들의 가능성있는 실험적

증거가 처음으로 각각 보고되었다. Li3N 과 Li3-

xPO4-yNy 이 Li 금속과 LATP 와의 직접 접촉을

막아주는 것으로 사용되었는데, LATP 는 금속

리튬의 전위차에서 전기화학적으로 불안정하기


KOSEN Expert Review



페이지 16/17

때문이다.

이들 리튬 전극들과 집합된 수용성 Li-O2

배터리들은 1mA/cm2, 실온에서 10min 동안 전

지 거동의 퇴화됨이 없이 순환될 수 있었다.

그리고 이어서 가넷-형 고체전해질들에 기초한

다른 보호된 리튬 양전극들과 고분자-세라믹

복합 막들이다.

세라믹 전도체들이 리튬 덴드라이트 생성을

막을 만큼 충분히 딱딱하므로 그것들은 다른

고체 성분들과 낮은-저항 접촉을 쉽게 하지 않

는다. 최근의 연구 노력들은 고분자와 세라믹

복합전해질들을 사용해서 안전한 계면을 이루

도록 하고 계면 저항을 줄여주도록 하는데 초

점을 맞추고 있다.

Li/PEO20LiTFSI/Li 전지내 0.03mA/cm2 의 낮은

전류밀도, 80℃에서 100h 동안 덴드라이트의 생

성이 없었던 반면, 0.7mA/cm2의 높은 전류밀도

에서는 덴드라이트가 1h 약간 못 미쳐 축적된

다는 사실이 관측되었다. 나노-SiO2 부가와/또는

N-methyl-N-propyl- piperidinium TFSI(MPP13TFSI)

의 이온액체를 고분자 전해질들에 함께 붙임으

로써 Li/PEO18- TFSI/Li 에 대해서 1.0mA/cm2,

60℃에서 10h 에서 21h 으로 덴드라이트 생성 시

간을 늘려줄 수 있음을 확인하였다.

앞으로 개발되어야 할 개선된 전지 물질들

은 어떤 전류밀도(mA/cm2)에서도 높은 파워 밀

도를 갖도록 하는 것이 중요하다. Li-전지를 보

호해줄 수 있는 층을 만들어주는 것이 필수적

이다. 그 보호 층이 형성되면 전지의 용량이

잘 보존됨은 물론이고, 안전에 관한 측면에서

보면 대단히 필요하고 중요한 장점들을 가지게

될 것이다.

6.4.6. 리튬-철(Li-Fe)인산염 배터리

본 배터리기술에서 전지의 전류용량이 크고,

오래 지속될 수 있는 안정된 물질을 찾는다면,

그 물질은 곧 신소재로 각광받게 될 것이다.

최근에 일본 연구원들이 충전/방전 주기 후에

도 전지를 다시 충전할 수 있는 기능을 유지시

킬 수 있는 실험을 통하여 새로운 물질을 발견

하였다. 이 물질이 바로 리튬-철-인산(LiFePO4)

염이다[7]. 이 재료를 이용하여 Li-배터리를 만

들면 25,000 사이클 후에서도 충전의 70%를 유

지할 수 있다는 것이다[8].

이 물질들은 경제적인 면에서 가격이 그렇

게 비싸지도 않고, 일반 화합물들 중에 잘 알

려진 물질이다. 이 LiFePO4 물질은 2000 사이클

의 내구성을 지니고 있다. 일본 공동연구자들

은 컴퓨터 시뮤레이션을 이용하여 밀도함수이

론(DFT: Density Functional Theory)을 적용하여

계산해냈다[9].

이 연구팀들은 본 계산에서 리튬을 산화시

켰을 때와 리튬을 탈산화시킨 조건들에서 그

물질들의 부피 상쇄완충 개념으로 거의 정확한

배터리의 수명을 이론적으로 계산해냈다. 일반

스마트폰이나 노트북들의 배터리들에서 약 3%

부피 변화인 것에 대비하여 LiFePO4 는 2 배이

상이나 되는 약 6.5%의 부피 변화를 나타내었

다. 이 사실이 배터리의 수명과 깊은 관계가

있다고 평가하고 있다.

앞으로 좀 더 구체적인 연구실험을 통하여

전지의 수명과 용량은 커지고 충전/방전할 때

에도 사이클 수가 25,000 주기 이상인 새로운

LiFePO4 배터리가 나올 수 있을지 기대를 걸어

볼 만하다.

한 걸음 더 나아가 이 물질들의 특성을 강

화시킬 수 있는 지르코늄(Zr)이나 이트륨(Y)의

부가로 LiFePO4 에서 철(Fe+3

, Fe+4

) 이온들의 활

성화가 전류에 미치는 영향 등이 매우 신기롭

다. 또한 인(P)에 대체할 수 있는 알루미늄

(Al+3

)이나 실리콘(Si+4

)이 들어갔을 때 새로운

물질들이 어떠한 특성을 가질 것인가 하는 것

이 흥미롭고 기대되는 연구대상이다.

7. 결론

현재까지 진행되어온 재충전 가능한 Li-배

터리들의 개발에 관한 진전, 도전과 미래방향

에 대해서 종합적으로 분석하였다. 재충전 가

능한 Li-이온 배터리, Li-S 배터리, Li-공기 배터

리들뿐만 아니라 Li-Mn, Li-Fe, Mg- 및 Na-배터

리들의 개발에 관해서도 객관적인 관점에서 그

장점과 단점들을 종합 열거하면서 미래의 전망

등을 다루었다. 여기서 분석한 내용을 기본으

로 하여 결론을 요약하면 다음과 같다.

1) 이론적으로나 실험적으로 입증된 재충전


KOSEN Expert Review



페이지 17/17

Li-배터리의 우수성은 앞으로도 새로운 전

지 개발에 선도적 역할을 할 것이다.

2) 재충전 Li-이온 전지의 개발을 통해서 하

이브리드 전기자동차(HEVs) 등을 비롯해

서 각종 전자제품들에 초기전원을 공급하

는데 기여할 수 있을 것이다.

3) 양질의 양전극이나 음전극들을 좀 더 안

전하고 수명을 길게 보존할 수 있게 하고,

개량된 전극들을 개발하여 상품화한다면

이 분야의 사업이 대단히 전망이 밝다고

보여진다.

4) 배터리 속에는 양전극과 음전극 이외에

중요한 전해질들이 있다. 양질의 우수한

전해질들을 개발을 하기 위해서 높은 전압

이나 전류에도 견딜 수 있는 개선된 전해

질 시스템들이 필수적이다.

5) 재충전 Li-이온 배터리 이외에도 Li-S 배

터리, Li-O2 배터리, Li-Mn 배터리, Li-Fe 배

터리, Na-배터리, Mg-배터리 등의 다양한

전지들에 관한 연구 개발이 필수적이다.

6) 핵심적인 부품 이외에도 전지의 디자인이

나 배터리 시스템의 걷과 전지 안의 표면

에 접촉된 부분이 안전과 수명에 직접-간

접으로 크게 영향을 미치므로 면밀하고도

철저한 연구개발이 이루어져야 한다. 위

의 모든 것들이 종합적으로 완성되고 문

제들이 해결되면 앞으로 리튬 배터리 시

스템들은 우리 생활필수품이 될 것이다.

References 1. Khalil Amine, Ryoji Kanno, and Yonhua

Tzeng, Guest Editors, “Rechargeable lithium

batteries and beyond: Progress, challenges, and

future directions”, Materials Research

Society (MRS) BULLETIN,Vol. 39, May

2014, pp395-405.

2. Jason R. Croy, All Abouimrane, and Zhengcheng

Zhang, “Next-generation lithium-ion batteries: The

promise of near-term advancements”, MRS

BULLETIN, Vol. 39, May 2014, pp407-415.

3. Atsuo Yamada, “Iron-based materials strategies”,

MRS BULLETIN, Vol. 39, May 2014, pp423-428.

Linda F. Nazar, Marine Cuisinier,and Quan Pang,

“Lithium-sulfur batteries”, MRS BULLETIN, Vol. 39,

May 2014, pp436-442.

4. D. G. Kwabi, N. Ortiz-Vitoriano, S. A.

Freunberger, Y. Chen, N. Imanishi, P. G. Bruce, and Y.

Shao-Horn, “Materials challenges in rechargeable

lithium-air batteries”, MRS BULLETIN, Vol. 39, May

2014, pp443-447

5. Ivgeni Shterenberg, Michael Salama, Yossi

Gofer, Elena Levi, and Doron Aurbach,”The

challenge of developing rechargeable magnesium

batteries”, MRS BULLETIN, Vol. 39, May 2014,

pp453-460.

6. T. Vaughey, Gao Liu, and Ji-Guang Zhang,

“Stabilizing the surface of lithium metal”, MRS

BULLETIN, Vol. 39, May 2014, pp429-435.

7. Atsuo Yamada, “Iron-based materials strategies”,

MRS BULLETIN, Vol. 39, May 2014, pp423-428.

8. A. Yamada, S. C. Chung, and K. Hinoguma,

“Optimized LiFePO4 for lithium battery cathode”, J.

Electrochem.Soc.,Vol. 148, A224-229 (2001).

9. Motoakai Nishijima, Takuy Ootani, Yulchi

Kamimura, Toshitsugu Suoki, Shogo Esaki,

Shunsuke Mural, Koji Fujita, Katsuhisa Tanaka, Koji

Ohira, Yukinori Koyama, and Isao Tanaka,

“Accelerated discovery of cathode materials with

prolonged cycle life for lithium-ion battery”, Nature

Communications, Vol. 5, August 1, 2014 (Published);

Article number: 4553; doi:10.1038/ ncomms 5553.


Documents

재충전 리튬 배터리의 개발 진전 도전과 미래 방향 · KOSEN Expert Review Copyright ⓒ 2014 KOSEN All rights reserved. 페이지 1/17 재충전 리튬 배터리의