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 리튬 이온 전지는 스마트폰, 랩탑 컴퓨터, 일련의 소비자 전자제품 및 새로운 전기 자동차와 같이 많은 곳에서 사용된다. 원가가 낮아지고 전기 자동차의 보급이 확대되면 그 비중이 훨씬 증가할 것이다. 이를 위해 전지는 더 많은 에너지를 저장할 수 있어야 한다.
Anode는 리튬 이온 전지에서 에너지 저장을 위한 핵심 성분이다. 미국 에너지부 산하 로렌스버클리 국립연구소(Lawrence Berkeley National Laboratory, 이하 Berkeley Lab)의 과학자들은, 현재 디자인에서 리튬을 8배 더 많이 흡수할 수 있는 새로운 종류의 anode를 개발하였으며, 1년을 넘는 실험 기간과 수 백 회에 달하는 충전-방전 사이클 동안에도 향상된 에너지 저장능력을 계속 유지하였다.
그 비밀은 전기를 통과시키고 리튬을 저장하는 실리콘 입자와 긴밀히 결합한 잘 설계된 고분자 물질로, 충전 동안 자체 부피가 3배 이상 확장되며 방전 시에 다시 원래대로 수축되는 특성도 보였다. 새로운 anode는 저렴한 재료로 만들어졌으며, 기존의 표준 리튬 전지 제조기술와 호한성이 있다. 본 연구결과는 Advanced Materials 온라인 판에 게재되어 있다("Polymers with Tailored Electronic Structure for High Capacity Lithium Battery Electrodes").
Berkeley Lab의 EETD(Environmental Energy Technologies Division)소속의 Gao Liu에 따르면, 고용량 리튬 이온 anode 재료는 전극에서 리튬을 흡수할 때 팽윤(swelling)에 의한 부피변화라는 문제에 봉착하게 된다고 한다. 오늘날 대부분의 리튬 이온 전지는 흑연으로 만들어진 anode로 구성되어 있으며, 흑연은 그래핀 층 사이에 이온을 포함할 때 팽창이 크지 않은 전기전도성 물질이다. 실리콘은 10배 이상 더 저장할 수 있지만, 완전히 충전될 때 부피가 세 배 이상 증가한다는 문제점이 있다.
이런 종류의 팽윤은 anode에서의 전기접점을 급속히 파괴하기 때문에, anode의 전도성을 유지하면서 실리콘을 사용하는 다른 방안을 탐색하고 있다. 많은 방법들이 제안되었지만 일부는 비용이 터무니없이 높았다.
한가지 비교적 덜 비싼 방법은 유연한 고분자 결합제 및 카본 블랙과 실리콘 입자를 혼합하는 것이었다. 불행히도 리튬 이온의 흡수 및 방출에 따른 실리콘 입자의 반복된 팽윤과 수축은, 결국 첨가된 탄소 입자를 밀어내는 결과를 낳는다. 필요한 것은 탄소의 첨가 없이 자체적으로 전기를 흐르게 할 수 있는 유연한 결합제이다.
전도성 고분자는 새로운 아이디어는 아니다. 그러나 이전의 노력들은 별 성과를 내지 못했으며, 이는 리튬 이온 전지의 anode 측면에서의 환원성 조건에 대해 별로 고려하지 못했다는 것이다. 이와 같은 예의 하나가 PAN(polyaniline)이라 부리는 고분자로, (+) 전하를 갖는다. 초기에는 전도체의 성질을 갖지만 전도성은 급속히 사라진다.
유망한 고분자는 최저 비점유 분자궤도 함수(lowest unoccupied molecular orbital)라고 불리는 상태의 최저값을 경우가 해당될 수도 있다. 이 상태는 전자가 손쉽게 궤도에서 이탈하여 자유롭게 이동할 수 있다. 이상적으로 초기 충전 과정에서 리튬 원자로부터 전자를 확보하게 된다. 연구팀은 일련의 polyfluorene 기반의 전도성 고분자를 설계하였다.
PAN의 전자구조와 비교해 보면, polyfluorene의 흡수 스펙트럼은 확연히 차이가 난다. 가장 큰 차이는 탄소-산소 기능그룹(카보닐, carbonyl)기에 의해 polyfluorene에 가장 큰 차이점이 부여되었다.
투과전자현미경에 의하면, 새로운 전도성 고분자의 향상된 결합력을 확인할 수 있다. 왼쪽 그림에서 결합제 내에 포함된 실리콘 입자로, 충전과 방전에 의한 사이클링이 일어나기 전의 영상이다. 오른쪽 그림에서 32회의 충전과 방전을 수행한 후에도 고분자는 여전히 실리콘 입자와 단단히 결합되어 있다. 이것은 650회의 충전과 방전을 반복한 후에도 왜 새로운 anode의 에너지 용량이 흑연 anode에 비해 월등히 높은 이유를 설명해 주고 있다(첨부그림 #2).
첨부그림 #1> (좌측 그림) 높은 에너지 용량을 위해 실리콘(푸른색 구)을 사용한 복합 anode를 사용하는 전형적인 방법으로 PVDF(밝은 갈색)과 같은 결합제에 탄소(짙은 갈색) 입자를 첨가하여 전기를 전도하도록 하였다. 실리콘은 리튬 이온의 흡수 및 방출에 의해 팽윤과 수축을 일으키며, 반복된 팽윤과 수축은 전도성 탄소 입자간의 접촉점을 파괴하는 결과를 낳는다. (우측 그림) 새로운 고분자(자주색)는 자체적으로 전도성을 가지며, 반복된 팽윤과 수축에도 불구하고 실리콘 입자와 단단히 결합력을 계속 유지한다.
출처 : http://www.nanowerk.com/news/newsid=22850.php
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