리튬이온 전지보다 단위 중량당 전지 용량이 크고 자동차나 항공기 채용이 기대되는 리튬 공기 전지(lithium-air battery) 새로운 설계를 미국 에너지부 산하 아르곤국립연구소가 발표했다.
지금까지 리튬 공기 배터리는 사이클 수명이 짧다는 단점이 있었다. 이 단점을 보완하기 위해 아르곤국립연구소는 설계를 검토하고 기존 설계에서 사용되는 액체 대신 고체 전해질을 채택하는 새로운 설계를 고안한 것.
기존 리튬 공기 전지 설계에선 음극 리튬이 액체 전해질 내를 이동해 방전 중 산소와 결합해 양극에서 과산화리튬 또는 초산화리튬이 생성된다. 과산화리튬이나 초산화리튬은 충전할 때 리튬과 산소 성분으로 분해되어 이 화학 반응에 의해 에너지가 저장, 방출된다.
연구팀이 개발한 새로운 리튬 공기 전지에선 비교적 저렴한 원소를 나노 입자상으로 한 세라믹 폴리머 재료를 고체 전해질로 해 화학 반응에 의해 산화리튬을 생성할 수 있다. 팀에 따르면 과산화리튬 화학 반응에선 산소 1분자당 1∼2개 전자가 축적될 뿐이지만 산화리튬 화학 반응에선 전자 4개가 축적되어 기존 설계보다 높은 효율을 발휘한다.
또 팀이 설계한 리튬 공기 전지는 실온에서 4전자 반응을 실현한 첫 전지이며 주위 환경으로부터 산소를 공급해 동작시킬 수 있는 것도 있다. 주위 공기로 동작하는 것으로 기존 설계 문제점이던 산소 실린더 필요성을 회피할 수 있는 것도 특징으로 하고 있다.
고체 전해질은 리튬 이온 전지 등에서 사용되고 있는 액체 전해질과 같이 발열이나 발화 등 안전상 문제가 없고 팀이 설계한 전지는 리튬 이온 전지에 비해 에너지 밀도를 4배나 높일 수 있다. 이에 따라 배터리 용량은 동일하게 배터리 크기를 작게 한다거나 배터리 크기는 동일하고 용량을 크게 하는 게 가능해지기 때문에 배터리를 동력원으로 삼는 전기 자동차 등에선 항속거리 연장 실현이 가능하다.
아르곤국립연구소 측은 더 개발을 진행하면 새로운 리튬 공기 전지가 1kg당 1,200Wh라는 기록적 에너지 밀도를 달성할 것으로 기대된다고 밝히고 있다. 이는 리튬이온 배터리 4배에 가까운 성능이다. 관련 내용은 이곳에서 확인할 수 있다.