이 치약 성분이 전기차 배터리의 수명을 더 길게 만들 수 있습니다

Antonio Roncero @roncero_antonio 30 June 2023 3 min.

코발트도, 리튬 폴리머도, 고체 전해질도 아닙니다. 더 오래가는 배터리를 만드는 것이 전해질에 불소를 사용하는 것만큼 간단하다면 어떨까요?

불소 이야기를 하면, 아마 가장 먼저 떠오르는 것은 치약일 것입니다. 실제로 형석 광물을 가공해 얻는 이 화학 원소는 충치를 예방하는 데 도움을 주기 위해 치약을 만드는 데 사용됩니다. 하지만 유일한 용도는 아닙니다. 불소는 물을 정화하거나, 마취제를 만들거나, 조명 시스템, 냉각 시스템 건설 등에도 사용됩니다. 그리고 머지않아 전기차 배터리 제조의 핵심 요소가 될 수도 있습니다.

이 모든 것은 미국 일리노이주에 위치한, 미국 최초의 국립 과학 및 공학 연구소인 아르곤 국립연구소의 화학 및 공학과에서 진행한 연구에서 시작되었습니다. 여기서 연구진은 여러분의 치아 에나멜을 보호하는 바로 그 불소의 응용 방법을 발견했으며, 이를 통해 전기차 배터리의 수명을 훨씬 더 늘릴 수 있게 되었습니다.

리튬 배터리의 작동 원리

불소를 배터리 제조에 적용했을 때 무엇이 가능한지 더 잘 이해하기 위해, 리튬 배터리가 어떻게 작동하는지 살펴보겠습니다. 모든 리튬 배터리에는 다음과 같은 요소가 있습니다. 양극(음극), 음극(양극), 그리고 전해질입니다. 전해질은 앞의 두 전극을 분리하는 역할을 하면서 리튬 이온이 양극에서 음극으로 이동할 수 있게 하여 전위차를 만들고, 이것이 전류를 발생시킵니다.

더 높은 에너지 밀도를 가진 배터리를 만들기 위한 대체 화학 물질을 끊임없이 찾는 가운데, 해결책은 일반적인 흑연 대신 리튬 금속 음극을 사용하는 배터리에 있는 것으로 보입니다. 이러한 배터리에서 양극은 보통 니켈, 코발트, 망간을 포함한 금속 산화물로 이루어져 있습니다. 그러나 문제는 이런 종류의 배터리가 제공하는 높은 에너지 밀도가 충전과 방전을 반복함에 따라 빠르게 떨어진다는 것입니다. 전해질에 포함된 용매와 염의 영향으로 음극이 열화되기 때문입니다.

충치를 막는 불소… 그리고 배터리 음극을 보호하는 불소

아르곤 연구진이 발견한 것은, 전해질의 수소 원자를 불소화 성분으로 대체하면 배터리의 내부 작동이 눈에 띄게 개선된다는 점입니다. 이는 전극에 보호층을 형성하여, 높은 성능을 유지하면서 충전과 방전 사이클 횟수를 늘리고 수명을 연장합니다. 구체적으로는 양이온과 음이온으로 구성된 새로운 불소화 용매가 사용됩니다.

현재까지 슈퍼컴퓨터로 수행된 시뮬레이션에 따르면, 불소화 성분이 배터리의 충전 및 방전 사이클 동안 양극과 음극 표면에 달라붙어 축적되는 것으로 나타났습니다. 이렇게 형성된 보호층은 기존 전해질로 가능한 것보다 적절하고 강한 저항력을 가집니다. 핵심은 불화물 용매와 리튬 염의 비율을 정확히 맞추어, 이 보호층이 너무 얇거나 너무 두껍지 않도록 하면서, 수백 회의 사이클 동안 리튬 이온이 전극 사이를 효율적으로 이동할 수 있게 하는 것입니다. 이는 문제가 되지 않을 것으로 보입니다.