금속 이온 배터리_서론

금속 이온(Me-ion) 배터리는 전기화학적 에너지 변환 및 저장 시스템으로, 방전 및 충전 시 한 종류의 이온만이 음극과 양극 사이를 왕복합니다. Me-ion 배터리는 일반적으로 특정 양극 재료와 음극 재료로 구성되며, 각각 집전체인 금속 포일에 증착되어 있습니다. 두 전극은 미세 다공성 분리막으로 분리되어 있으며, 이온 수송은 보통 액체 전해질에 의해 이루어집니다. Me-ion 배터리는 많은 응용 분야에서 최신 기술로 간주되며, LIB(리튬 이온 배터리)가 가장 잘 알려진 대표주자지만 유일한 것은 아닙니다. 다른 대체 Me-ion 배터리도 LIB와 같은 왕복 원리를 따르지만, 리튬 대신 나트륨, 알루미늄, 아연 또는 마그네슘과 같은 금속을 사용합니다.

 

금속이온 배터리에 사용되는 이온의 지름

Me-ion 배터리 중 LIB는  가장 잘 알려진 대표주자로, 오랫동안 "모든 경우에 맞는" 기술로 여겨져 왔습니다.

그러나 최근 자원 가용성, CO2 배출량 또는 비용 절감에 대한 논의들을 통해 다양한 응용 분야별 요구를 충족하고 특정 자재에 대한 의존도를 줄이기 위해 LIB 외에 대체 배터리 기술이 필요하다는 목소리가 커지고 있습니다.

 

이러한 대체 배터리 기술은 LIB를 대체하려는 것이 아니라, 특정 강점에 따라 적합한 응용 분야에서 대안으로 사용될 수 있습니다.

나트륨 이온 배터리(SIB)는 셀 설계에 따라 고정식 응용 분야나 경량 전기차에 적합합니다. 알루미늄 이온 배터리(AIB)는 높은 전력 밀도로 인해 LTO 기반 LIB나 슈퍼커패시터의 대안이 될 수 있습니다. SIB는 LIB에 비해 비용 효율적이고 지속 가능한 대안입니다. 비록 에너지 밀도가 리튬 니켈 망간 코발트 산화물(NMC) 셀의 에너지 밀도보다 낮지만, 중장기적으로는 리튬 철 인산염(LFP) 및 납산(PbA) 셀의 대안이 될 수 있습니다. SIB는 나트륨(Na)을 포함한 양극과 탄소 기반 음극, 그리고 대부분의 경우 액체 전해질을 결합합니다. 보통 양극에는 층상 산화물, 폴리아니온 화합물 또는 프러시안 블루 유사체와 같은 삽입 또는 삽입 재료가 사용되며, 음극은 삽입 재료, 전환 재료 또는 합금으로 구성될 수 있습니다.

 

마그네슘 이온 배터리(MIB)는 이론적 용량이 높고, 높은 온도 저항성과 덴드라이트 성장 저항으로 인해 매우 안전한 것으로 여겨집니다. 그 구조는 SIB와 LIB와 유사하지만, 음극이 금속 마그네슘으로 만들어진다는 점에서 차이가 있습니다. 여기서도 양극과 전해질에 적합한 재료에 대한 연구가 진행되고 있습니다.

 

아연 배터리(ZIB)는 특히 저렴한 수계 전해질을 사용할 때 LIB에 대한 안전 문제를 해결할 수 있는 유망한 솔루션을 제공합니다. 이러한 전해질은 불연성이기 때문입니다. ZIB의 또 다른 장점은 지구상에 대규모로 존재하는 아연의 자원입니다. Zn²⁺ 이온의 저장 메커니즘은 양극 재료에 따라 크게 달라질 수 있습니다. 그러나 전형적인 셀 조립의 전위는 비교적 낮으며, 1~2 V 범위에 있습니다. 대부분의 경우, 전극에서 삽입 화합물이 사용됩니다. 그러나 적합한 재료 조합에 대한 연구는 여전히 진행되고 있습니다.

 

금속 이온(Mg²⁺, Ca²⁺, Zn²⁺, Al³⁺) 중에서 알루미늄은 세 개의 전자를 기증할 수 있는 능력 덕분에 특별한 역할을 합니다. 이는 매우 높은 전력 밀도와 높은 충전 속도, 긴 사이클 수명을 가능하게 할 수 있습니다. 따라서 알루미늄 이온 배터리(AIB)는 기존의 LIB(특히 LTO 기반 LIB)에서 슈퍼커패시터로의 전환에 대한 흥미로운 대안입니다. AIB는 음극에 알루미늄 금속을 포함하고 있으며, 양극 측에 대한 다양한 변형에 대한 연구가 여전히 진행되고 있습니다.

 

출처: Alternative Battery Technologies Roadmap 2030+ (Fraunhofer ISI report)