미 국 캘리포니아에 위치한 신생기업인 Amprius사가 리튬 이온 배터리 (lithium-ion battery) 용도로 새로운음극 (anode) 소재를 판매할 계획이라고 밝혔다. 이 소재를 사용하면 배터리의 에너지 밀도를 높여 더 멀리 주행하는 전기자동차나, 더 오래 사용할 수 있는 휴대용 전자기기의 개발이 가능해 진다고 한다. Amprius에 따르면 전기 자동차의 경우현재 200마일 정도의 주행거리를 380마일 정도로 늘리고 노트북 컴퓨터의 경우 현재 4시간 정도의 사용시간을 7시간 정도로늘리는 것이 가능하다고 한다.
신형 배터리를 개발중인 다른 회사들이 대부분 빠른 충전 및 급가속이 가능하도록 출력 (power) 향상에 집중하고 있는 반면에Amprius는 에너지 밀도를 높여 사용시간을 늘리는데 노력을 기울이고 있다. 배터리의 에너지 저장용량이 커질수록 이를 사용한장비를 오래 쓸 수 있다. 자동차 회사들이 전기 자동차에 더 많은 관심을 기울이고, 아이폰 (iPhone)과 같이 에너지 소모가큰 휴대용 기기가 나올수록 배터리의 에너지 밀도는 점점 더 중요한 문제가 되어가고 있다.
리 튬 이온 배터리를 충전하면, 리튬 이온이 양극 (cathode)으로부터 음극으로 이동하며, 전자는 외부 회로를 통해 이동한다.전류를 방출하는 과정에서는 이 과정이 거꾸로 진행된다. 실리콘은 현재 음극 소재로 사용되는 탄소류에 비해 더 많은 양의 리튬을수용할 수 있기 때문에 음극 소재로서 주목 받았었다. 실리콘의 이론 최대 에너지 밀도는 탄소의 10배에 달하지만 실리콘을 음극소재로 사용하는 데는 문제점이 있었는데 쉽게 깨지며 한번만 충전을 해도 쉽게 부풀고 금이 가는 등의 현상이 있었기 때문이다.하지만 실리콘 나노와이어 (nanowire)로 만든 음극은 충/방전을 반복해도 손상이 일어나지 않음이 발견되었다.
Amprius 사의 창립자이자 스탠포드 대학교 재료 공학과의 조교수인 Yi Cui는 올해 가을에 나노구조를 가진 실리콘 음극이기계적 손상 없이 이론 전하 축적용량 (theoretical charge storage capacity)을 달성할 수 있음을보여주었다. 길고 가는 실리콘 나노와이어로 만들어진 매트 (mat)는 쉽게 구부러지기 때문에 충/방전 시에 일어나는 기계적 응력(strain)을 해소시켜 줄 수 있기 때문이었다. 또한 나노와이어로 만든 매트는 높은 표면적을 가지고 있어 리튬이온과상호작용을 일으킬 수 있는 부위도 넓어지는 장점이 있다.
Amprius는 또한 나노와이어의 대량 제조가 가능하도록 제조 공법에 몇 가지 개선을 이루어 냈다고 사업 개발 담당 이사인Ryan Kottenstette는 밝히고 있다. 나노와이어는 촉매가 코팅된 금속 기재 위에서 기체상태 원료로부터 성장시킨다.자세한 방법은 밝히지 않았지만, Amprius는 좀더 전도성이 높은 기재를 사용하고 저렴한 촉매를 사용하는 공정이 개발되었다고밝히고 있다. Cui 교수는 대면적 박편 (foil)상에서 더 낮은 재료비로 빠르게 음극을 대량 생산 하는 것이 가능하다고설명하고 있다. Amprius는 자동차 및 전자 제품 제조회사들과 협상을 진행하고 있으며, 3월에 첫 번째 벤처 자금 모금을마쳤다. 이들은 파일럿 제조 설비를 만들기 위한 자금 모금을 내년 여름에 진행할 계획이다.
음 극이 아무리 좋아도 배터리의 전체적인 충전 용량을 올리기 위해서는 양극의 개선도 필요하다. 현재 사용되는 양극 소재는Amprius가 개발중인 음극의 성능에 미치지 못한다. 따라서 Amprius는 초기에는 양극은 두껍게 음극은 얇게 만들어 이불균형을 해소하려고 한다. 이와 같은 디자인을 사용하면 같은 크기의 일반적인 리튬 이온 배터리에 비해 40퍼센트의 용량 증가가가능할 것으로 예상된다. 에너지 밀도를 더 높이기 위해서는 새로운 양극 소재의 개발이 필요하다.
[그림] 실리콘 나노와이어로 이루어진 매트. 일반적인 리튬 이온 배터리의 음극 소재에 비해 10배의 전하를 저장할 수 있다.
댓글 없음:
댓글 쓰기