<2020> 수계 이차전지 기술 개발 현황 및 전망
리튬이온전지는 1990년대 등장 이후 30여년 간 높은 에너지 밀도와 효율, 신뢰성으로 인해 지난 30여년 동안 모바일 IT기기 또는 전기차의 저장 전력원으로 이차전지 시장의 대부분을 차지하고 있다.
하지만 리튬이온전지의 에너지밀도는 한계에 다다르고 있으며, 가격 및 리튬 자원 공급의 불안정성, 환경오염을 유발하는 전해액, 무엇보다도 발화 및 폭발의 고질적인 안전성 이슈 등의 문제는 대규모 에너지 저장 장치로의 시장 확대를 어렵게 하고 있다.
대규모 에너지 저장 시스템의 주요 요구 사항인 가격, 안전성, 장수명 특성을 동시에 만족할수 있는 이차전지로서, 물을 전해액으로 사용하는 수계 이차전지(aqueous rechargeable battery)가 현재 전 세계적으로 큰 주목을 받고 있다.
기본적으로 전해액 용매로 물을 사용하기 때문에, 화재 및 폭발의 위험을 근본적으로 제거하고, 수용액의 높은 이온전도도 특성에 기인한 고율 충·방전 특성을 동시에 기대할 수 있다. 그리고 물은 무한에 가깝게 공급받을 수 있고, 많은 종류의 전해질 염을 용해할 수 있어 다양한 전해액 조건을 검토하고 개발할 수 있다. 또한, 전지 제조 공정 관점에서도 리튬 이차전지 제조에 필요한 수분 제어 시설의 설치 또는 유지 비용 이슈도 사라지게 된다. 이러한 수계 전해액의 장점은 다양한 종류의 이차전지 시스템 검토를 가능하게 하고 실제로도 다양한 종류의 이온(수소, 아연, 리튬, 나트륨, 칼륨, 마그네슘 등) 기반 수계 이차전지가 활발히 연구 개발되고 있다.본 보고서에서는 수계 이차전지를 대표하는 몇 가지 전지 시스템을 중심으로 현 수계 이차전지의 기술 동향과 이슈, 그리고 미래 전망에 대해 살펴보고자 한다.
대표적인 수계 이차전지 시스템으로 아연(Zn)계 이차전지, 리튬(Li)계 이차전지, 그리고 나트륨(Na) 및 기타 2종 이온 저장 기반 수계 이차전지 등을 살펴볼 것이며, 이를 중심으로 양/음극 전극 소재, 전해액, 분리막 등 전지를 구성하는 요소 기술과 이들로 구성된 전지 타입 및 성능에 관련한 개발 현황과 관련 기업 동향을 살펴보고자 한다.
[ 목 차 ]
1. 수계 이차전지 개요
2. 아연(Zn)계 수계 이차전지
2.1. 서론
2.2. 양극 기술
2.2.1. 망간(Mn)계 양극
2.2.2. 바나듐(V)계 양극
2.2.3. 기타 양극 소재
2.3. 음극 기술
2.3.1. 아연의 배위 환경 조절 기술
2.3.2. 계면 전기장의 균일성 확보
2.3.3. 아연 전착 유도
2.4. 전해액 및 분리막 기술
2.4.1. 알칼라인 전해액
2.4.2. 중성 및 약산성 전해액
2.4.3. 전해액 첨가제
2.4.4. 겔 전해질(준 고체 전해질)
2.5. 전지(셀) 기술
2.5.1. 일반 static 형 전지
2.5.2. 흐름(flow-type) 전지
2.6. 주요 업체 동향
3. 리튬(Li)계 수계 이차전지
3.1. 양극 기술
3.1.1. Mn-based oxides
3.1.2. Layered lithium oxides
3.1.3. Polyanionic compounds
3.1.4. Prussian blue analogues
3.1.5. Other compounds
3.2. 음극 기술
3.2.1. Vanadium-based compounds
3.2.2. Polyanionic materials
3.2.3. Organic electrode materials and others
3.3. 전해액 기술
3.3.1. 고농도 전해액 기술 (Water-in-salt)
3.3.2. 그 외 일반 전해액 기술
3.4. 주요 전극 요소 기술
3.4.1. 집전체
3.4.2. 바인더
4. 나트륨(Na) 및 기타 이온 수계 이차전지
4.1. 나트륨(Na)계 수계 이차전지
4.1.1. 나트륨(Na)계 수계 이차전지 전극 활물질
4.1.2. 나트륨(Na)계 수계 이차전지 전해질
4.2. 칼륨(K)계 수계 이차전지
4.3. 마그네슘(Mg)/알루미늄(Al)/칼슘(Ca)계 수계 이차전지
4.3.1. 마그네슘(Mg) 수계 이차전지
4.3.2. 알루미늄(Al) 수계 이차전지
4.3.3. 칼슘(Ca)계 수계 이차전지
4.4. 비금속계 수계 이차전지
4.5. 수계 듀얼이온 (dual-ion) 이차전지
5. 참고 문헌