1. 리튬 이차 전지 및 문제점
○ 리튬이온전지는 전해질 내에 전기화학적 전위차가 있는 양극과 음극으로
구성되어 전기에너지가 필요시 전자 및 리튬이온이 자발적으로 음극에서
양극으로 이동하여 전기에너지를 생성한다. 충전 시에는 외부에서
전기에너지를 가하여 다시 리튬이온과 전자를 다시 음극으로 보내어 원래의
상태로 돌릴 수 있다. 즉, 충/방전이 용이하게 가능한 에너지 저장 시스템(2차
전지)이다. 리튬이온전지의 에너지 저장 용량은 양극과 음극 활성물질의 용량이
클수록, 두 전극의 전위차가 클수록 커진다. 현 리튬이온전지는 전기자동차에서
한 번 충전 시 주행 가능한 거리를 증가시키는 데 에너지 측면에서 한계가 있다.
따라서 높은 용량을 갖고 높은 작동전압을 사용할 수 있는 차세대 활성물질에
대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
2. 리튬 금속 음극
○ 리튬 금속 음극은 기존 흑연 음극과 비교하여, 배터리의 출력 전압을 높일 수
있으며, 중량당 에너지 저장량 또한 약 10배 가량 높아, 이론상 가장 높은
에너지 저장량을 실현할 수 있는 음극 재료이며, 실제로 초기의 배터리는 리튬
금속 음극을 채택하여 배터리를 제작하였다. 따라서 최근 다시 차세대 음극
재료로 주목을 받고 있다.
3. 리튬 전위금속 산화물 및 바나듐 산화물 양극 소재
○ LiCoO2, Li(NiCoMn)O2, LiFePO4 등 현재 전기자동차 및 휴대폰에 사용되는
리튬이온전지의 양극 재료로 사용되고 있는 물질로 사용 전위가 리튬대비 약
3.5 V에서 4.0 V로 높으나 이론 용량은 140~200 mAh/g 수준으로 낮다. 따라서
현재 배터리보다 용량을 향상시키기 위해서는 새로운 고용량 전극재료의 개발이
필요하다.
○ 특히, 바나듐 산화물은 사용 전위가 약 3V로 기존 양극 재료보다 낮지만
이론적으로 294 mAh/g의 높은 용량을 가지고 있어 차세대 리튬 배터리에서 882
Wh/kg 수준의 월등하게 높은 에너지 밀도를 가질 수 있다. 비교적 가격도
저렴하여 주목 받고 있다. 그러나 낮은 이온/전자 전도성으로 인해 느린 전기화학
반응을 보이며, 충/방전 동안 구조 붕괴로 인해 성능 감소가 나타난다. 문제를
해결하기 위해 이전 연구들에서는 (1) 전도성 물질 코팅, (2) 전도성 물질 복합체,