27. 리튬이온을 넘어

학습 목표

주요 차세대 화학(Na-ion, 고체전해질, Li-metal, Li-S)을 에너지 밀도 대 성숙도 지도에 배치하고 각각의 걸림돌을 안다.
패러데이 법칙으로 이론 비용량을 계산하고, 리튬을 더 무거운 이온으로 바꾸면 왜 중량 에너지를 잃는지 본다.
이 책 전체의 모델링 틀이 화학에 무관함을 인식한다: 같은 P2D 물리가 그대로 넘어간다.

요약

모든 축에서 이기는 단일 화학은 없다. 후보들은 에너지 밀도를 비용·성숙도·안전과 절충한다.
Na-ion은 에너지를 비용과 맞바꾸며 이 플랫폼이 이미 모델링한다. 고체전해질과 Li-metal은 더 높은 에너지를 좇지만 계면과 덴드라이트와 싸운다. Li-S는 거대한 이론 용량과 폴리설파이드 셔틀을 가진다.
3-11장의 지배방정식은 결코 리튬을 가정하지 않았다. 삽입 host와 작동 이온을 가정할 뿐이므로, 같은 모델이 이 계열 전체로 넘어간다.

리튬이온이 이야기의 끝은 아니며, 이 책은 사실 리튬에 관한 것이 아니었다. 그 물리(열역학, 동역학, 수송)는 어떤 삽입 셀에도 적용된다. 이 마지막 장은 이 분야가 어디로 가는지 살피고, 당신이 이미 그것을 모델링할 도구를 가졌음을 보인다 .

그림 · 차세대 화학 전망. 오른쪽 위(성숙하고 높은 에너지)일수록 좋지만, 실제 후보들은 대각선을 따라 절충한다: Na-ion은 값싸고 성숙해 가지만 에너지가 낮고(이 플랫폼이 이미 모델링), 고체전해질·Li-metal·Li-S는 에너지가 높지만 각각 계면·덴드라이트·셔틀 문제로 아직 연구 단계다. 배치는 대략적이며 해마다 움직인다.

소듐이온: 같은 물리, 더 싸게

소듐은 주기율표에서 리튬 바로 아래에 있어 화학이 충분히 가까워 같은 삽입 그림이 적용되며, 그래서 이 플랫폼은 이미 Na-ion 셀을 싣고 있다. 절충은 에너지 밀도이고, 패러데이 법칙이 정확히 얼마인지 말해 준다.

패러데이 법칙에서 나오는 이론 비용량유도 보기

이 유도가 딛는 것

패러데이 법칙은 전자 $n$ 개를 내주는 금속 1몰이 저장하는 전하를 정한다: $Q = nF$ . 단위 질량당으로는 몰질량 $M$ 으로 나누고, 그램당 쿨롱을 배터리 단위 mAh/g로 바꾼다(1 mAh는 3.6 C):

$Q_\mathrm{th} = \frac{nF}{3.6\,M} \quad [\mathrm{mAh/g}].$

리튬 금속( $n=1$ , $M=6.94$ ): $Q_\mathrm{th} = 96485/(3.6\times 6.94) \approx 3862~\mathrm{mAh/g}$ . 소듐( $M=22.99$ ): $96485/(3.6\times 22.99) \approx 1166~\mathrm{mAh/g}$ . 소듐은 전자당 세 배 넘게 무거우므로, 순전히 원자 질량 때문에 같은 질량에 더 적은 에너지를 담는다. 대신 얻는 것은 비용이다: 리튬이 없고, 양쪽 다 알루미늄 집전체를 쓴다. ∎

뿌리 사슬몰당

Q = nF

그램당:

Q = nF/M

mAh/g로: 3.6으로 나눔Li 3862 대 Na 1166 mAh/g

스튜디오의 Na-ion 프리셋은 리튬 셀과 같은 P2D 솔버 위에서 소듐 고유의 OCV와 파라미터로 돌아간다(20. 파라미터는 어디서 오는가의 파일 기반 셀). 방정식에서 바뀐 것은 없다.

고체전해질과 리튬 금속: 음극을 좇다

가장 큰 에너지 상금은 흑연(또는 실리콘) 음극을 리튬 금속으로 바꾸는 것이며, 그 용량은 어떤 host도 압도한다. 장애물은 24. 열화 메커니즘의 도금 불안정성이다: 도금된 리튬이 덴드라이트를 키워 분리막을 뚫는다. 기계적으로 단단한 고체 전해질은 덴드라이트를 막아 금속 음극을 안전하게 할 수 있으며, 그것이 고체전해질의 약속이다. 열린 문제는 고체-고체 계면 저항과 제조성이지 열역학이 아니다.

리튬황: 용량, 그러나 함정

리튬황은 삽입 양극을 매우 높은 이론 용량의 변환 반응으로 바꾸지만, 중간체 폴리설파이드가 녹아 전극 사이를 오가며 용량과 수명을 낭비한다. 지도에서 에너지가 가장 높고 가장 덜 성숙한 구석이다.

관통하는 줄기: 물리는 그대로 넘어간다

Ragone 탐색기 (실시간). 비에너지와 비출력을 끌면 동작점이 움직이고 방전 시간 t = E/P가 갱신됩니다. 대각선은 일정 방전시간 선입니다.

t = E/P ≈ 30 min

비에너지 (Wh/kg)150비출력 (W/kg)300

영역: 배터리형 (고에너지)

동작점(파랑)이 대각선(일정 방전시간)을 가로지르며 t = E/P가 바뀐다. 고에너지·저출력은 배터리, 고출력·저에너지는 커패시터 영역. 배터리는 에너지가 질량에 묶이지만 연료전지는 탱크와 스택을 따로 키운다(정적 그림 참고).

이들 하나하나가 여전히 전기화학 셀이다: 열역학이 정한 OCV, Butler-Volmer를 통한 동역학, 확산과 이동에 의한 수송, 그 위의 열과 역학. 이 책의 P2D 틀은 작동 이온이 리튬인지 알지도 신경 쓰지도 않는다. 그것이 화학이 아니라 모델을 배우는 진짜 이득이다: 화학이 바뀌면 다시 파라미터를 넣고 방정식은 유지한다. 이 플랫폼이 리튬, 실리콘 복합, 소듐을 한 솔버로 하는 것이 그 원리의 실천이다.

참고문헌

[1] J.-Y. Hwang, S.-T. Myung, Y.-K. Sun (2017). Sodium-ion batteries: present and future Chem. Soc. Rev. 46, 3529. doi:10.1039/C6CS00776G ↗ (정확한 서지 확인 필요)

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