Investigating Solutions about the drawback of High-loading Cathode in Lithium Oxygen Batteries

Abstract

이산화탄소 감축 및 자원 고갈 문제로 인해 기존의 화석연료 기반의 운송수단을 대체할 전기자동차가 대두되면서, 이를 구동할 고에너지밀도의 이차전지에 대한 연구가 활발해지고 있다. 리튬-공기전지는 양극 반응물안 산소가 외부로부터 무한정 공급되는 시스템으로서 리튬이온전지에 비해서 많게는 약 10배 이상의 이론에너지밀도를 지닌다. 그러나 전지 내 분극 문제로 인해 이론 용량에 도달하지 못하는 실정이며 리튬-공기전지에서 고에너지밀도 및 고용량을 얻기 위한 방법의 하나로 양극인 공기극을 이루는 물질을 과적하는 방법이 사용될 수 있다. 그러나 이와 같은 방법으로 과적 공기극을 제조할 경우 양극이 일정 질량을 초과할 시 단위질량 당 용량은 오히려 감소하는 문제가 존재한다. 본 연구에서는 이와 같은 과적 공기극에서의 용량 증대의 한계점을 인식하고 본 문제의 원인 및 해결책을 강구하고자 선행연구조사 및 다양한 실험적 해결법을 평가하였다. 탄소나노튜브로 제조한 과적 공기극을 기반으로 한 공기전지를 방전시킨 후에 공기극의 층별로 방전생성물을 분석해본 결과 본 문제는 산소 유입구와 멀리 떨어진 공기극의 층이 활물질 층으로 효율적으로 활용되지 못하기 때문임을 발견하였다. 이와 관련한 해결책을 찾기 위한 방안으로 전해질의 양 감축, 방전 전 전해질 내에 고압의 산소를 용해, 낮은 방전전류 주사, 그리고 전해질 내 수분 함량 증대를 평가하였다. 기존의 일반 공기전지 구조에서 얻는 용량에 비해, 전해질 내에 고압의 산소를 용해하는 실험에서는 1.5배, 방전전류를 4분의 1로 낮추는 실험에서는 약 2배의 단위질량당 용량증대가 있었으며 공기 유입구와 멀리 떨어진 양극의 부분도 잘 활용되었음을 확인하였다. 일련의 실험과정을 통하여 과적 공기극의 용량 한계를 극복하기 위해서는 전해질 내의 부분별 산소 용해도를 통제하고 전지 내의 물질전달 및 반응속도를 같이 고려하는 것이 필요함을 발견하였다.