리튬공기전지 기술 동향_169

리튬공기전지 기술 동향

한경대학교 | 박현식 교수

Ⅰ. 개 요 ········································································ 171

1. 리튬공기전지의 개요 및 특성 ······························· 171

Ⅱ. 동향 분석 ································································· 172

1. 국내 동향 ································································ 172

2. 해외 동향 ······························································ 173

Ⅲ. 향후 전망 ································································· 175

<참고문헌> ······································································· 177

리튬공기전지 기술 동향_171

리튬공기전지 기술 동향

한경대학교 | 박현식 교수

Green Technology Trend Report

Ⅰ. 개 요

1. 리튬공기전지의 개요 및 특성

화석연료 소비 증가에 따른 이산화탄소 배출을 저감하기 위해 전기자동차 및 하이브리드자동차의

보급이 확 되고 있다. 현재 리튬이온전지는 전지용량의 제약으로 전기자동차의 장거리 주행이

어렵다. 장거리 운행을 위해서는 용량 전지가 자동차에 탑재되어야 하지만 자동차 판매가격이

상승하기 때문에 전기자동차 보급을 위해서는 기존의 이차전지보다 6~7배 정도 큰 에너지 밀도를

갖는 이차전지가 필요하다. 이에 따라 리튬이온전지보다 큰 에너지 밀도를 갖는 리튬공기전지가

주목받고 있다. 리튬공기전지는 리튬이온전지와 달리 양극에 기 중의 산소를 활물질(활물질 :

전해질과의 화학반응에서 전자 방출 혹은 흡수하는 물질)로 사용하므로 원료 수급 측면에서도

유리하다.1),2),3)

리튬공기전지는 <그림 1>과 같이 다공질 탄소, 금속 리튬을 각각 양극과 음극으로 사용하며,

리튬이온이 음극에서 양극으로 이동시 산소와 반응하는데 이때 얻어지는 화학반응을 전기에너지로

전환하여 전력을 생산한다.

자료 : Batteryheads, http://blog.batteryheads.com/?p=356, 2012

<그림 1> 리튬공기전지 개념도

172_녹색기술동향보고서 (www.gtnet.go.kr)

리튬공기전지는 리튬이온전지가 양극, 분리막, 음극 및 전해질로 구성되는 것과 유사한 구조를

가지고 있다. 기존의 리튬이온전지의 에너지밀도가 120~150mAh/g인 것과 비교하여 리튬공기

전지는 <그림 2>와 같이 700~ 3,000mAh/g 이상의 큰 에너지 밀도를 가지고 있다. 이 때문에

해외 선진 전지 업체 및 연구기관에서 리튬공기전지를 차세 리튬이차전지로 주목하고 있다.

리튬공기전지의 문제점으로는 양극에 고체의 반응 생성물인 Li2O가 축적되어 미세 홀(Hole)을

막고, 공기 중의 수분이 리튬 금속과 반응하여 수소가 발생하므로 공기 중의 질소가 리튬 금속과

반응하여 충방전이 잘 되지 않는 등의 문제점을 가지고 있다. 이와 같은 리튬공기전지의 문제점을

개선하기 위한 연구가 시도되고 있으며, 본 보고서에서는 리튬공기전지 성능 개선을 위한 최근

기술동향을 고찰하였다.

자료: http://www.ntt.co.jp/inlab/kankyo/eng/research/1_lithium-air/index.html

<그림 2> 리튬공기전지의 성능비교

Ⅱ. 동향 분석

1. 국내 동향

최근 리튬공기전지에 관한 관심이 높아지고 있으나, 국내의 리튬공기전지에 관한 연구는 선진

국에 비하여 미흡한 상태이다. 2012년 삼성종합기술원은 한국전기화학회와 공동 개최한 ‘제1회

국제 리튬공기전지(Li-air battery) 심포지움’에서 오사무 야마모토(미에 학교)가 ‘The State

and Aspect of Aqueous Litium Air Secondary Batteries’, 이종원 연구원(한국에너지기술

연구원)과 빅터로에프(SAIT)가 ‘Electrocatalysis on Metal Oxide Cathodes for Rechargeable

Lithium-Oxygen Batteries’와 ‘3D Mesoporous N-doped Cabon Scalable For Li-O2

Battery Needs’를 발표하였다.4)

2012년 한양 학교 연구진은 기존 리튬이온전지에 사용한 카보네이트계 전해질을 에테르계의

전해질인 TEGDME(Tetra ethylene dimethyle glycol ether)로 교체해 성능을 향상시킨 “An

improved high-performance lithium–air battery” 연구결과를 Nature Chemistry에 발표

하였다.5)

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2. 해외 동향

가. 리튬연료전지 타입 리튬공기전지

일본 AIST 에너지기술연구부문에서는 2009년 2월 차세 리튬이온전지로 하이브리드 전해

액을 사용하여 연속 충방전이 가능한 리튬공기전지를 개발하였으며, 공기극의 에너지밀도가

50,000mAh/g을 기록하였다. 음극의 리튬 금속을 이용하여 공기극에 생성된 LiOH를 제거하

여 연속적으로 충전이 가능하게 하였다. 방전 이후 충전 신에 양극의 수성전해액 체 및

음극의 리튬 금속을 교환하여 연속 사용할 수 있으며, 공기극에 생성된 LiOH를 수성전해액에

서 회수하여 리튬 금속을 재이용할 수 있다.6)

자료 : 글로벌동향브리핑(GTB), “새로운 구조의 고성능 리튬공기전지 개발”, 2009.2.24

<그림 3> 리튬연료전지 타입 리튬공기전지 개념도

나. 고체무기화합물 전해질 타입 리튬공기전지

리튬공기전지는 이론적으로는 리튬이온전지의 5~8배에 달하는 에너지 밀도가 기 되나,

기존의 리튬공기전지는 유기 전해액을 사용하기 때문에 누설, 휘발, 발화 등의 문제점이 있고

유기 전해액과 바인더는 충방전 중에 분해되어 충전과 방전의 전압차가 크게 발생하는 문제점을

가지고 있다.

리튬공기전지는 공기중의 산소를 이용하여 전기화학 반응으로 발전하는 전지이다. 방전 시에

양극에서 리튬이온과 산소가 반응하여 리튬산화물을 형성하고, 충전 시에는 리튬 산화물이 분해

된다. 방전 시에는 산소가 활성화되고 공기극 중에 활성 산소와 반응하기 쉬운 물질이 존재하면

리튬산화물 이외의 화합물이 생성되기 때문에 충전 시에 모든 생성물을 분해하기 위해 큰

전압이 필요하다. 즉 방전 시와 충전시의 전압차가 커져서 에너지효율이 저하된다. 기존의 리튬

전지에서 주로 사용되었던 유기 전해액과 전극재료 분말을 전극에서 고정화하는 고분자 바인더는

활성화된 산소와 반응이 쉽게 일어나서 안정적인 재료가 필요하다. 전해질과 전극재료에 액체 및

유기재료를 사용하지 않고 리튬이온전도도가 10-4Scm-1인 Li1+xGe2-yAlyP3O12(LAGP) 고체

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전해질로 구성된 리튬공기전지 연구가 활발히 진행되고 있다.

공기극의 유효면적을 증가시키기 위해 리튬이온, 전자, 공기가 통하는 경로를 공기극 전체에

형성하기 위하여 고체전해질과 카본나노튜브를 사용하였다. 고체전해질과 탄소나노튜브를 혼합

하고 소결하여 리튬이온이 통과할 수 있는 입자 사이 공간을 공기가 통과하는 구조를 형성

하였다. 리튬이온은 고체전해질을 리튬 음극으로부터 공기극 반응사이트로 이동시키며, 공기는

공극을 통과하고 전자는 탄소나노튜브에 의해서 공기극 내를 이동하게 된다.7)

자료: 글로벌동향브리핑(GTB), “유기재료를 사용하지 않은 전고체형 리튬공기전지”, 2012.11.5

<그림 4> 고체전해질 타입 리튬공기전지 개념도

다. 겔 타입 리튬공기전지

전해액으로 유기 전해액을 사용한 리튬공기전지는 유기 전해액의 발화, 증발, 분해, 공기

중 수분 용해 등의 문제점을 가지고 있어서 보다 안정적인 유기 전해액 재료가 필요하다. 리

튬공기전지의 안정적인 방전을 위하여 공기극 전체에 3차원 전자이동 경로, 이온전도 경로,

공기 확산 경로가 필요하다. 기존의 유기 전해액을 사용한 리튬공기전지에서는 공기극의 미세

한 구멍이 유기 전해액으로 가득 채워져서 공기 중의 산소 가운데 유기 전해액에 용존하고 있

는 산소가 주로 리튬이온과 반응하였다. 이를 해결하기 위하여 AIST에서는 2013년 3월 연소

되지 않고 휘발하지 않는 이온 액체를 전해액으로 사용한 연구결과를 발표하였다.

리튬공기전지 기술 동향_175

자료: 녹색기술정보포털(GTNet), “이온액체와 겔공기극을 이용한 리튬-공기전지”, 2012.10.3

<그림 5> 켈 타입 리튬공기전지 개념도

Ⅲ. 향후 전망

지구 온난화에 응하기 위한 일본의 리튬이차전지를 활용한 자동차 보급률은 <표 1>과 같이

확 될 것으로 전망되며9), <그림 6>과 같이 2017년까지 리튬이온전지 시장에서 수익이 확 될

전망이다.10) 이와 같은 수요에 부응하기 위해서 에너지 밀도가 큰 금속리튬공기전지가 주목받고

있다. 리튬공기전지는 자연계에 무한한 산소를 활물질로 이용할 수 있고 1,1140Wh/kg의 큰

에너지 밀도를 가지며, 가솔린 13,000Wh/kg과 유사한 특성을 가진다.

2012년 IBM에서 발표한 “The battry 500 마일 프로젝트”는 전기자동차 500마일(약

800km) 주행을 목표로 2020년에 리튬공기전지 양산화를 추진하고 있다. 현재 슈퍼컴퓨터로 전기

화학반응을 해석하고 재충전 과정에서 전지가 열화하지 않도록 체전해질을 검토하고 있다.11)

<표 1> 일본의 이차전지 탑재자동차의 보급 목표

구 분 2020년 2030년

이차전지 탑재자동차

하이브리드 전기자동차 (HEV) 20~30% 30~40%

플러그인 하이브리드 전기자동차 (PHEV)전기자동차 (EV)

15~20% 20~30%

일반자동차 50~80% 30~50%

자료 : JST, “리튬자원의 공급과 자동차용 수요 동향”, 2010

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자료 : Pike Research, “Revenue for Lithium Ion Battery Market Set to Grow by 700% by 2017”, 2012

<그림 6> 리튬이차전지의 시장전망

<그림 7>의 리튬이차전지의 동작 전압과 방전용량 밀도의 기술 흐름도에서 알 수 있는 바와

같이 리튬공기전지가 다른 이차전지에 비하여 우수한 성능을 가지고 있어서 전기자동차 분야에서

활용될 전망이다. 특히, 리튬공기전지의 성능 및 안정성 향상을 위하여 리튬공기전지를 구성하고

있는 다공질 탄소의 양극, 금속 리튬의 음극, 전해질 물질을 중심으로 연구개발이 진행될 전망

이다.

자료 : JST, “리튬자원의 공급과 자동차용 수요 동향”, 2010

<그림 7> 리튬이차전지의 동작전압과 방전용량 밀도

리튬공기전지 기술 동향_177

<참고문헌>

1. Batteryheads 블로그, “MIT research could quadruple battery capacity”, 2012

http://blog.batteryheads.com/?p=356

2. NTT, “Lithium air battery”, 2013

http://www.ntt.co.jp/inlab/kankyo/eng/research/1_lithium-air/index.html

3. A. Gasteiger, Michael C. Parent, Vazrik Chiloyan, Yang Shao-Horn, “Influence of

Catalysts on Discharge and Charge Voltages of Rechargeable Li–xygen Batteries”,

Electrochemical and Solid-State Letters, Vol.13, No.6, pp.69-72, 2010

4. “삼성 차세 리튬공기 배터리에 주목”, 머니투데이, 2012.9.25,

http://news.mt.co.kr/mtview.php?no=2012092116380771323

5. Hun-Gi Jung, Jusef Hassoun, Jin-Bum Park, Yang-Kook Sun & Bruno Scrosati, “An

improved high-performance lithium–air battery”, Nature chemistry, pp.579-585, 2012

6. 경기과학기술진흥원, “새로운 구조를 가진 고성능 리튬공기전지 개발”, 2009.2.27

7. 일본 산업기술종합연구소(AIST), “유기재료를 사용하지 않은 전고체형 리튬공기전지”, 2012

8. 녹색기술정보포털(GTNet), “이온액체와 겔공기극을 이용한 리튬-공기전지”, 2012.10.3

9. JST, “리튬자원의 공급과 자동차용 수요 동향”, pp.17-29, 2010

10. Pike Research, “Revenue for Lithium Ion Battery Market Set to Grow by 700% by 2017”,

2012

11. IBM, “Lithium /air battery project (battey 500)”, 2013