상업적으로 사용되는 리튬 이온 배터리는 주로 양극, 음극 분리막 및 전해질로 구성됩니다. 리튬 이온 배터리는 스마트폰, 전동 공구 및 전기 자동차에 설치됩니다. 액체 전해질 용액을 사용합니다.
광범위한 사용과 개선에도 불구하고리튬 이온 배터리기술은 과열, 원자재 공급망 문제 등 익숙한 단점도 가지고 있습니다. 배터리 구조에 새로운 재료를 테스트하여 이러한 문제에 대한 연구가 진행 중입니다. 이러한 재료 중 하나는 자연계에 매우 풍부하고 석유 산업의 부산물인 황입니다. 이 재료는 또한 비용 효율적이며 기존 리튬 이온 기반 배터리보다 더 많은 에너지를 저장할 수 있습니다.
전 세계 황 기반 배터리 시장 규모는 2021년 5억 1,740만 달러에서 2031년까지 연평균 성장률(CAGR) 17.69%로 성장하여 26억 9,900만 달러에 이를 것으로 예상됩니다.
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배터리 구성 요소–
전극– 방전 중에 전자를 방출하는 전극은 음극입니다. 전자를 흡수하는 전극은 양극입니다. 그들은 리튬을 저장합니다. 전해질은 양전하를 띤 리튬 이온(즉, 이온은 중성 원자에서 전자를 제거하거나 추가하여 생성된 전기적으로 하전된 입자)을 음극에서 양극으로, 반대로 분리막을 통해 운반합니다. 리튬 이온의 이동은 음극에서 자유 전자를 생성하여 전력을 공급받는 장치를 통해 전류를 흐르게 하는 전하를 생성합니다. 전극은 배터리의 기본 성능을 담당합니다.
분리막 및 전해질– 이 두 가지는 배터리의 안전성을 결정합니다. 분리막은 양극과 음극 사이의 물리적 장벽 역할을 하여 둘 사이의 직접적인 전자 흐름을 방지하고 배터리 내부의 전자 흐름을 차단하여 이온만 통과하도록 합니다.
전해질은 배터리의 두 전극 사이에서 이온(전하 운반 입자)을 앞뒤로 이동시켜 배터리가 충전 및 방전되도록 합니다.
리튬-황 배터리의 실제 사용의 과제
Li-S 배터리를 충전하면 폴리설파이드라는 물질이 생성되어 전해질로 흘러 들어가 용해되어 부식을 일으킵니다. 연구자들은 폴리설파이드 셔틀 효과라고 부르며, 이는 배터리 수명을 단축시킵니다.
폴리설파이드 셔틀을 방지하기 위해 과학자들은 처음에 전극 사이에 산화환원 비활성 중간층을 배치하려고 시도했습니다. 그러나 결국 배터리 내에 추가 공간을 차지하여 배터리 저장 용량을 감소시키고 셔틀을 적절하게 줄이지 못했습니다. 그 후 연구자들은 산화환원 비활성(즉, 전극에서와 유사한 반응을 거치지 않음)과 반대로 다공성 황 함유 활성 중간층을 개발했습니다. 결과는 용량이 3배 증가했으며 활성 중간층이 있는 배터리는 700번 이상의 충전-방전 사이클 동안 높은 용량을 유지했습니다.
황 기반 배터리 시장의 최근 동향
2022년 9월: NGK Insulators, Ltd는 11.4 MW/69.6 MWh의 나트륨 황 시스템 계약을 체결했습니다. 이 시스템은 일본 미에현의 쓰 LNG 스테이션에 배치될 예정입니다.
2022년 1월: Lyten Inc.와 미국 국방부는 계약을 체결했습니다. 이 계약은 상업 및 국가 안전을 위해 리튬-황 배터리를 향상시키는 것을 목표로 합니다.
리튬-황 배터리의 장점
결론
리튬 이온 배터리는 기술적 발전에 도달하고 있습니다. Li-S 배터리는 기존 리튬 이온 배터리의 한계에 대한 해결책으로 부상했습니다. 연구자들은 폴리설파이드 셔틀로 인해 발생하는 짧은 배터리 수명의 현재 과제를 황화물 고체 전해질(SSE)을 사용하여 해결하려고 합니다. Li-S 배터리는 고밀도 에너지, 향상된 안전성, 비용 효율성을 갖추고 있으며 배터리에 사용되는 황은 산업 부산물입니다.
저자: 아비셰크 사이니
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