대용 전자기기와 의료기기부터 전기자동차와 에너지 저장장치까지, 리튬이온전지는 현대인의 생활과 산업 전반에 큰 변화를 가져왔습니다.

리튬이온전지 개발에 기여한 공로로 2019년 노벨 화학상은 스탠리 휘팅엄(M. Stanley Whittingham), 존 구디너프(John B. Goodenough), 아키라 요시노(Akira Yoshino)에게 수여되었습니다.

리튬이 배터리 소재로 사용되는 이유

리튬은 주기율표에서 가장 가벼운 금속이며 표준 환원 전위가 매우 낮습니다. 따라서 작고 가벼우면서도 많은 에너지를 저장할 수 있는 배터리 소재로 적합합니다.

하지만 리튬 금속은 공기와 수분에 대한 반응성이 높고, 충전과 방전을 반복하는 과정에서 안전 문제가 발생할 수 있습니다. 연구자들은 리튬 금속을 직접 반복 석출시키는 방식 대신, 리튬이온이 전극 소재 내부를 오갈 수 있는 구조를 개발하며 이러한 한계를 개선했습니다.

리튬이온전지의 발전 과정

1976년 스탠리 휘팅엄은 이황화티타늄을 양극으로 사용한 충전식 리튬전지를 개발했습니다.

이황화티타늄의 층상 구조 사이로 리튬이온이 들어가고 빠져나오는 현상을 **인터칼레이션(intercalation)**이라고 합니다. 전극 구조를 크게 손상시키지 않으면서 충전과 방전을 반복할 수 있다는 점에서 이후 배터리 설계의 중요한 기반이 되었습니다.

다만 초기 전지는 음극에 리튬 금속을 사용했기 때문에 안전성과 내구성에 한계가 있었습니다.

이후 존 구디너프 연구팀은 금속 산화물계 양극 소재를 연구했습니다. 리튬코발트산화물을 적용하면서 휘팅엄의 초기 전지보다 높은 작동 전압을 구현할 수 있었고, 배터리의 에너지 밀도를 높일 수 있는 기반이 마련됐습니다.

1985년 아키라 요시노 연구팀은 리튬 금속 대신 리튬이온을 저장할 수 있는 석유 코크스 계열의 탄소 소재를 음극에 적용했습니다. 이를 통해 초기 리튬 금속 전지보다 안전성과 반복 충전 성능이 향상됐으며, 이러한 연구 성과는 1991년 리튬이온전지 상용화로 이어졌습니다.

배터리를 구성하는 핵심 요소

일반적인 배터리는 양극과 음극, 전해질, 분리막으로 구성됩니다.

양극과 음극은 전자를 저장하고 방출하는 전극의 역할을 하며, 전해질은 두 전극 사이에서 이온이 이동할 수 있도록 합니다.

분리막은 양극과 음극이 직접 접촉하여 단락되는 것을 방지하면서, 전해질 속 이온은 통과할 수 있도록 하는 다공성 소재입니다.

배터리의 안전성과 에너지 밀도를 높이기 위한 연구는 이러한 각 구성요소의 소재와 구조를 개선하는 방향으로 진행되고 있습니다.

전기화학 연구에서 활용되는 Sterlitech 멤브레인

멤브레인은 배터리와 전기화학 연구에서 단순한 여과재 이상의 역할을 수행할 수 있습니다.

Sterlitech 멤브레인 필터는 관련 연구에서 다음과 같은 용도로 활용된 사례가 보고되어 있습니다.

* 전극 활성물질을 지지하는 다공성 기판

* 전극 사이를 분리하는 연구용 분리막

* 전극 제조 과정의 여과 및 정제

* 합성된 전극 소재와 반응 용액의 분리

* 전기화학 반응 생성물의 회수와 분석

전극 지지체로서의 활용

다공성 멤브레인 표면이나 기공 내부에 금속, 탄소 소재 또는 촉매를 형성하면 전해질과 반응물이 이동할 수 있는 전극 구조를 제작할 수 있습니다.

원문에 소개된 연구에서는 다공성 은 멤브레인을 알칼라인 연료전지의 양극으로 사용하거나, 사마륨 도핑 세리아를 은 멤브레인에 침투시켜 고체산화물 연료전지용 전극을 제작했습니다.

이러한 사례는 리튬이온전지에 한정되기보다, 멤브레인이 다양한 전기화학 에너지 장치에서 다공성 전극의 기판으로 활용될 수 있음을 보여줍니다.

분리막 및 전기화학 셀 구성

분리막은 두 전극의 직접적인 접촉을 막는 동시에 이온이 원활하게 이동할 수 있도록 해야 합니다.

연구용 전기화학 셀에서는 멤브레인의 기공 크기, 기공률, 두께, 전해질 습윤성과 내화학성이 실험 결과에 영향을 줄 수 있습니다.

Sterlitech의 폴리카보네이트 계열 멤브레인과 같은 균일한 기공 구조의 소재는 분리막의 기공과 표면 특성이 셀 성능에 미치는 영향을 비교하는 연구에 활용될 수 있습니다.

다만 일반 연구용 멤브레인을 상용 배터리 분리막과 동일하게 볼 수는 없습니다. 상용 분리막에는 열수축 안정성, 내천공성, 장기적인 전기화학 안정성과 같은 추가적인 안전 조건이 요구됩니다.

전극 소재 제조와 정제

배터리 전극 소재를 합성한 뒤에는 생성된 입자를 반응 용액에서 분리하고, 잔류 전구체와 부산물을 제거하는 과정이 필요합니다.

이때 멤브레인 필터는 다음과 같은 용도로 활용할 수 있습니다.

* 합성된 전극 입자 회수

* 나노입자와 탄소 소재 분리

* 미반응 물질 및 불순물 제거

* 전해질과 분석 시료 전처리

* 고체 생성물과 액상 반응물 분리

특히 NMP, DMF, 아세톤 또는 알코올과 같은 유기용매를 사용하는 경우에는 멤브레인의 용매 적합성을 확인해야 합니다.

적합하지 않은 재질을 사용하면 멤브레인이 팽윤하거나 손상될 수 있으며, 멤브레인 성분이 시료에 혼입되어 분석 결과에 영향을 줄 수 있습니다.

다양한 전기화학 에너지 장치에서의 활용

Sterlitech 멤브레인은 리튬이온전지뿐 아니라 아연공기전지, 리튬황전지, 슈퍼커패시터와 연료전지 연구에서도 활용된 사례가 있습니다.

리튬황전지 연구에서는 반응 과정에서 생성되는 폴리설파이드 화학종과 고체 생성물을 분리하고 분석하는 과정에 멤브레인이 활용될 수 있습니다.

슈퍼커패시터에서는 전극의 직접 접촉을 방지하면서 전해질 이온의 이동을 돕는 분리 소재가 필요합니다.

아연공기전지와 연료전지처럼 기체가 반응에 참여하는 시스템에서는 PTFE와 같은 소수성 멤브레인이 기체와 액체의 계면을 조절하거나 전해질의 이동을 제한하는 소재로 활용될 수 있습니다.

지속 가능한 에너지와 배터리 기술

태양광과 풍력은 기상 조건과 시간대에 따라 발전량이 달라지는 변동성 전원입니다.

따라서 재생에너지의 비중을 높이기 위해서는 전력이 많이 생산될 때 저장하고, 발전량이 부족하거나 수요가 증가할 때 다시 공급할 수 있는 에너지저장장치가 필요합니다.

리튬이온전지는 전기자동차뿐 아니라 전력망용 에너지저장장치에도 활용되고 있습니다. 다만 지속 가능한 에너지 시스템을 구축하기 위해서는 배터리와 함께 송전망 확충, 수요 관리 및 다양한 장주기 저장 기술을 함께 고려해야 합니다.

최근 배터리 연구는 에너지 밀도 향상뿐만 아니라 안전성, 수명, 충전 속도, 제조비용과 자원 활용 효율을 개선하는 방향으로 발전하고 있습니다.

이 과정에서 멤브레인은 전극 지지체와 분리막, 소재 정제 및 반응 생성물 분석 등 다양한 연구 단계에 활용될 수 있습니다.

마무리

리튬이온전지는 오랜 기간 축적된 전극 소재와 셀 구조 연구를 통해 현대의 대표적인 에너지저장 기술로 발전했습니다.

배터리와 전기화학 장치의 성능을 높이기 위해서는 양극과 음극뿐만 아니라 전해질, 분리막, 전극 제조 공정까지 함께 고려해야 합니다.

Sterlitech의 다양한 멤브레인은 전극 지지체, 연구용 분리막, 소재 회수와 정제 등 여러 전기화학 연구에서 활용된 사례가 있습니다.

연구 목적에 맞는 멤브레인을 선택할 때는 기공 크기뿐 아니라 재질, 두께, 습윤성, 내화학성 및 사용 용매를 종합적으로 확인하는 것이 중요합니다.

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