8. 게르마늄 전지(2차전지)

 

전기차의 배터리와 게르마늄

전기차가 할성화 되지 못하는 단점은 기간산업의 미확충과 밧데리 충전 시간,

그리고 밧데리의 수명, 높은 가격 등등의 문제점을 안고 있기 때문이다.

그런 와중에 독일은 2030년, 영국이나 프랑스는 2040년 이후부터는 디젤이나 휘발유 차량의 운행을 금지하고 모두 전기차로 대체 한다고 하니,  앞으로 전기차의 활성화는 대세이고 이에 관련된 산업이 산업의 중심이 될 것이다. 

 

적당한 유기 폴리머들로 채워진 매우 다공성인 게르마늄 나노필름은 하이브리드 태양전지가 된다.  게르마늄 나노구조가 역 오팔구조를 형성하므로 오팔처럼 희미하게 빛난다.

(Credit: Andress Battenberg/TUM)

폴리머 템플렛의 제거후 게르마늄 구조의 전자현미경 이미지

이 물질은 하이브리도 태양전지를 만들기 위해 적당한 폴리머들로 채워질 수 있는

역 오팔구조를 형성한다. (Credit:Katia Rodeward/TUM) 

 

수명 길고 값싼 전기차 배터리용 음극소재 개발

전기차 등의 배터리로 쓰이는 리튬이온전지용 음극소재로 사용하던 흑연의 단점을 보완하여 게르마늄 음극소재가 개발되어 기존 흑연에 비해 더 많은 양의 리튬을 저장할 수 있어 고속 충·방전에 유리하기 때문이다. 하지만 많은 양의 리튬을 저장하는 만큼 급격한 부피 변화 때문에 충·방전 반복 시 성능이 저하되는 것이 단점이다. 특히 게르마늄은 실리콘에 비해 재료 내 리튬 확산속도가 100배 크지만 제조비용이 높았다. 
게르마늄 입자 표면에 탄소가 결합된 독창적 구조의 안정적인 리튬이온전지용

음극소재를 개발되었다. 저가 상용 이산화게르마늄 용액과 산의 혼합,  

열처리 공정으로 이뤄지는 비교적 간단한 공정이다.

 이렇게 만든 게르마늄·탄소 음극소재는 1000회의 충·방전에도 초기 에너지 저장용량의 99%를 유지, 용량감소가 거의 없는 것으로 나타났다.

기존 것보다 100배 빠른 고속 충·방전에도 초기 용량의 70% 이상이 유지됐다. 

         저비용 고출력 게르마늄 전지 소재,                  충전용 밧데리 구성용 비정형구조

 

“짧은 수명 때문에 상용화되지 못했던 게르마늄 음극소재 단점을 극복할 수 있는

실마리를 발견했다”며 “게르마늄 음극소재는 전지 사용시간이 관건인 전기차,

모바일 기기, 대용량 에너지 저장 시스템 등에 최적화된 이차전지 개발에 중요한 기반이 될 것”이라고 밝혔다. (전남대 신소재공학부 박찬진 교수팀)

 

     사진은 초음파 도체의 결정 구조를 보여줍니다.

물질의 중추는 몸 중심의 입방형 황음이온 배열이다.

 리튬 원자는 녹색으로, 황 원자는 황색으로, PS4 사면체는 보라색으로,

GeS4 사면체는 파란색으로 표시된다.

연구진은 빠른 리튬 전도성 물질에서 음이온 충전과 이온 수송 간의 기본적인 관계를 밝혀냈다.

 

MIT와 삼성이 현재 리튬이온 배터리에 사용되는 액체 상태 전해질을 대체할 고체 전해질을 개발했다고 발표했다. 이를 통해 배터리 수명을 거의 무한대 수준까지 연장할 수 있을 뿐 아니라 내한성과 안전성도 높아진다는 것.

현재 널리 쓰이는 리튬이온 배터리는 전해질로 탄산에틸렌과 탄산디에틸 같은

유기 용매에 리튬염을 녹인 전해액을 사용한다.

하지만 이 유기 용매는 타기 쉬운 탓에 발화 사고를 자주 겪게 된다. 

이런 이유로 화재 위험성이 없는 고체 전해질이 필요했던 것 하지만 보통 고체 전해질은 리튬이온 전도 특성이 유기 용매만큼 좋지는 않아 충방전 속도가 느린 게 문제였다. 

이번에 MIT와 삼성 고등 기술원(Samsung Advanced Institute of Technology) 등은 리튬과 게르마늄, 인, 유활 화합물인 슈퍼이온 리튬이온 전도체 등을 이용해 고체 전해질의 전도 특성이 좋지 않은 문제를 해결한 것이다. MIT 거브랜드 시더(Gerbrand Cedar) 교수는 고체 전해질에 충분한 전도 특성이 없다고 생각했던 페러다임 자체가 뒤집어졌다고 밝히고 있다. 

리튬이온 배터리에서 발화 사고가 일어난 이유는 리튬이 가연성이어서가 아니라

유기 용매가 타기 쉬웠던 탓이다. 전해액을 고체 전해질로 바꾸면 가장 먼저 발화 위험이 사라진다.   또 기존 리튬이온 배터리의 생명은 500∼1,200회 사이다. 물론 이런 사이클이 일치하는 건 아니지만 고체 전해질로 바꾸게 되면 수십만 수준까지 늘어나게 된다.

거의 끝없이 계속 사용할 수준이다. 

또 다른 효과는 전해액을 이용하면 보통 영하 28도 이하로 추워지면 성능 저하가 일어난다. 하지만 고체 전해질이라면 추위와 관계없이 원래 성능을 그대로 발휘할 수 있다. 출력 밀도 역시 기존보다 20∼30% 개선되는 건 물론이다. 만일 이 제품이 실용화된다면 스마트폰이나 노트북 배터리가 충전 도중 폭발할 걱정은 사라지게 될 것이다. 관련 내용은 이곳에서 확인할 수 있다.  (이곳 : MIT News)

 

게르마늄 공급회사

젝심상사 02-899-2445, 010-9029-3551