리튬이온 배터리는 수십 년에 걸쳐 완성된 지금 잠재력을 완벽하게 발휘하고 있습니다. 오늘날 리튬이온 배터리는 전 세계의 휴대폰, 노트북, 의료 기기, 전기 자동차에 전원을 공급합니다. 리튬이온 배터리는 풍력이나 태양광 등의 간헐적인 에너지원을 저장하여 재생 에너지까지 지원합니다. 리튬이온 배터리 개발 시 과학자들은 부작용의 위험을 줄이면서 배터리 성능을 극대화하기 위해 노력했습니다. 현재 배터리 과학자들은 앞선 발견을 바탕으로 배터리 기능을 개선하여 선도적인 응용 분야에서 발전을 이끌어나가야 합니다.

리튬이온 배터리 기술의 중요성이 대두되며 과학자 John B. Goodenough, M. Stanley Whittingham, Akira Yoshino가 리튬이온 배터리 개발 공로 부문에서2019년 노벨 화학상을 수상했습니다. 세 과학자는 모두 리튬이온 배터리가 현재 널리 사용되는 일반적인 형태를 갖출 때까지 개발하는 데 기여했습니다. 연구의 시작이 된 리튬 원소(원자 번호 3번)는 떨어져 나가 양전하를 띄는 성질의 홀전자를 가지고 있습니다. 전자가 떨어지는 성질을 이용하면 전력이 배터리 셀을 통해 양극에서 음금으로 흐르도록 하여 배터리 응용에 큰 가능성을 더할 수 있습니다. 리튬이온의 높은 에너지 밀도 또한 휴대폰이나 노트북과 같이 작은 휴대 기기에 이상적입니다.  마지막으로 리튬이온은 충전 중에 다시 양극으로 쉽게 이동하여 충전이 용이합니다. 수상자들은 리튬이온의 장점을 활용하는 데 성공했고 재료의 휘발성을 통제하면서 잠재력을 이용할 수 있는 솔루션을 개발했습니다.

Wittingam은 1970년대 중반 이황화타이타늄 음극을 발견하여 현대 리튬이온 배터리의 시제품을 최초로 완성했습니다. Wittingham의 배터리는 2볼트였지만 자연 발화의 위험이 있었습니다.  Goodenough는 1980년대에 이황화타이타늄을 리튬 코발트 산화물로 교체하여 배터리 용량을 4볼트로 늘렸습니다. 1980년대 후반 Yoshino가 리튬 금속 양극을 석유 코크스로 교체하면서 배터리를 훨씬 더 안전하게 만들면서도 높은 전압을 유지했습니다.

완성된 리튬이온 배터리는 가볍고 충전이 가능하며 매우 강력합니다. 리튬이온 배터리 덕분에 휴대용 전자 제품, 전기 자동차, 전기 자전거가 개발되었습니다. 물론 노벨 위원회 위원들의 말처럼 과학의 발전은 끝나지 않았습니다. 연구자들은 계속해서 리튬이온 배터리 기술을 개선하고 있으며 다른 배터리도 곧 리튬이온 배터리에 합류하여 재충전 및 재생 가능한 에너지로 전환하게 될 것입니다.

현재 배터리 개발자들은 리튬이온 배터리를 발명한 세명의 과학자처럼 안전성과 전력의 균형을 맞추는 데 집중하고 있습니다. 한편 새로운 배터리 사용 방법에 따라 다른 요소들도 주목 받게 되었습니다.

가전 제품 생산업체들은 리튬이온 배터리의 에너지 밀도, 즉 가벼운 형태로 저장할 수 있는 에너지의 양에 가장 큰 초점을 두고 있습니다. 휴대폰과 노트북 제조업체들은 가벼운 휴대용 제품을 제조하면서 더 많은 충전량을 유지할 수 있도록 배터리를 끊임없이 업그레이드하고 있습니다. 소비자가 한 번의 충전만으로도 기기를 더 오래 사용할 수 있도록 배터리 런타임을 개발하기도 했습니다.

전기 자동차는 런타임이 가장 중요합니다. 연료를 사용하는 자동차보다 전기 자동차를 더 자주 충전해야 한다면 소비자의 관심을 돌리기 어렵습니다. 전기 버스, 화물 트럭, 항공기의 런타임은 훨씬 더 길어야 합니다. 전기 운송 또한 수많은 충전에도 리튬이온 배터리의 성능이 저하되거나 용량이 손실되지 않을 만큼 강력한 사이클 수명이 필요합니다.

리튬이온 배터리는 친환경 에너지 저장에 점점 더 많이 사용되고 있습니다. 따라서 리튬이온 배터리의 사이클 수명이 길어야 최대한의 효과를 낼 수 있습니다. 리튬이온 배터리는 에너지 발전소 근처에 있기 때문에 휴대하지 않아도 되고 풍력 및 태양광을 자주 충전할 수 있어 긴 런타임이 필요하지 않습니다

모든 응용 분야의 리튬이온 배터리는 안전해야 합니다. 풍력 터빈으로부터 에너지를 저장하는 창고에 있든, 전기 자동차에 동력을 공급하는 창고에 있든, 리튬이온 배터리를 사용하는 환경이나 사용자에게는 가연성의 위험이 없어야 합니다.

수요가 점점 더 증가하고 있기 때문에 과거의 성공을 반복하는 것 만으로는 리튬이온 배터리 과학자들의 목표를 달성하기에 부족합니다. 새로운 배터리는 성능과 안전성이 우수하면서도 기존의 배터리를 뛰어넘어야 합니다.

리튬이온 배터리 안전에 가장 큰 위협은 열입니다. 고온이나 내부 전기화학 반응으로 인해 배터리 구성 요소가 과열되면 열폭주 반응이 발생하여 치명적인 고장 또는 연소를 일으킬 수 있습니다. 따라서 배터리 연구자는 광범위한 온도에서 배터리 성능을 측정하기 위해 열분석을 이용합니다. 열분석에서 얻은 데이터를 통해 자재 선택, 설계, 첨가제 수정이 가능해지면 가장 안전한 구성의 배터리를 제조할 수 있습니다.

리튬이온 배터리에 사용되는 또 다른 재료 분석 장비로는 레오미터와 미세열량측정계가 있습니다. 유동학은 재료의 흐름 및 변형을 연구하는 학문입니다. 레오미터는 과학자가 최적의 저장, 혼합, 코팅, 건조를 위해 이상적인 점도를 갖춘 슬러리와 전극 코팅을 만들 수 있도록 지원합니다. 미세열량측정은 전기화확이나 물리화학 과정에서 발생하는 가장 작은 열을 측정합니다. 미세열량측정계는 배터리 개발자가 열 관리, 구조적 진화, 용량 감소 반응을 통한 단열을 최적화할 수 있도록 지원합니다.

이와 같은 분석 기술 및 배터리 연구 발전 방법에 대해 자세히 알아보려면 TA Instruments의 배터리 페이지를 방문하십시오. 배터리 분석 및 계측 장비를 통해 연구를 발전시키는 방법에 대한 질문은 언제든지 문의하시면 당사 전문가가 도와드리겠습니다.