유리 전지

유리 전지()는 전고체 전지의 일종이다. 유리 전해질과 리튬 또는 나트륨 금속 애노드를 사용한다.

 개발 역사 
2009년, 일본전기유리와 이와테 대학은 두께 30 마이크로미터(µm)의 초박형 유리 기판 위에 최초의 박막 리튬 이온 전지를 개발했다.

2016년, 리튬 이온 전지(Li-ion)에 사용되는 리튬 코발트 산화물과 인산철 리튬 전극 재료의 발명가인 존 B. 구디너프와 포르투 대학교의 부교수이자 텍사스 대학교 코크렐 공과대학의 선임 연구원인 마리아 헬레나 브라가가 유리 전지를 개발했다. 이 배터리에 대한 논문은 2016년 12월 에너지 및 환경 과학에 발표되었다.

이후 여러 후속 연구가 발표되었다. 하이드로 퀘벡은 이 배터리의 생산 가능성을 연구 중이다.

 유리 전해질 연구 
2016년 9월, 아이오와 주립대학교는 새로운 리튬 이온 전도성 유리 고체 전해질 개발을 위해 160만 달러의 미국 자금을 지원받았다.

2019년 8월, 제너럴 모터스가 미국 에너지부로부터 "전고체 전지 내 계면 현상의 근본적 이해" 및 "황화물 유리 전해질을 이용한 강화 전고체 전지의 고온 압착" 연구를 위해 2백만 달러의 미국 자금을 지원받았다고 발표되었다.

2023년, 일본전기유리는 유리 세라믹 전고체 전해질을 사용하는 최초의 유리 세라믹 전고체 소듐 이온 전지를 개발했다.

 회의론과 회의론에 대한 반응 
2016년 12월의 초기 발표는 배터리 기술 분야의 다른 연구자들로부터 상당한 회의론에 부딪혔는데, 여러 연구자들은 순수한 금속 리튬 또는 나트륨이 양쪽 전극에 존재한다는 점에서 어떻게 배터리 전압이 얻어지는지 불분명하며, 이는 전기화학 퍼텐셜의 차이를 발생시키지 않아 전지 전압을 제공하지 않아야 한다고 지적했다. 따라서 배터리에 저장되거나 방출되는 모든 에너지는 열역학 제1법칙을 위반할 것이다. 그러나 구디너프의 높은 명성은 가장 강한 비판을 막기에는 충분했으며, 프린스턴 대학교의 대니얼 스타인가트는 "만약 구디너프가 아닌 다른 사람이 이 논문을 발표했다면, 저는 음, 공손한 단어를 찾기 어려울 것입니다"라고 언급했다. 스타인가트와 카네기 멜런 대학교의 벤카트 비스와나탄은 에너지 및 환경 과학에 공식적인 논평을 발표했다.

구디너프는 회의론에 대해 다음과 같이 답했다: "답은 캐소드 집전체에 도금된 리튬이 집전체와의 반응을 통해 페르미 에너지가 집전체의 페르미 에너지로 낮아질 만큼 충분히 얇다면, 리튬 애노드의 페르미 에너지는 캐소드 집전체에 도금된 얇은 리튬의 페르미 에너지보다 높다는 것이다." 구디너프는 이후 슬래시닷과의 인터뷰에서 캐소드에 도금된 리튬은 "마이크로미터 두께"라고 말했다.

구디너프의 답변은 대니얼 스타인가트와 웁살라 대학교의 매튜 레이시로부터 추가적인 회의론을 불러일으켰는데, 이들은 이러한 저전위 전착 효과가 극히 얇은 층(단일층)의 물질에서만 알려져 있다고 지적했다. 레이시는 또한 원본 논문이 캐소드에 도금된 리튬의 두께에 대한 제한을 언급하지 않고, 오히려 "셀의 용량이 애노드로 사용되는 알칼리 금속의 양에 의해 결정된다"는 반대 내용을 명시하고 있다고 지적했다.

 구조 및 전기화학 
원래 논문에 보고된 이 배터리는 음극(리튬 또는 나트륨 박막)으로 알칼리 금속을 사용하고, 양극(캐소드)으로 탄소와 산화환원 활성 성분의 혼합물을 사용한다. 캐소드 혼합물은 구리 박막에 코팅된다. 산화환원 활성 성분은 황, 페로센 또는 이산화 망가니즈이다. 전해질은 수산화 리튬과 염화 리튬으로 형성되고 바륨으로 도핑된 높은 전도성 유리로, 금속 덴드라이트 형성 없이 배터리를 빠르게 충전할 수 있다.

논문은 배터리가 방전 중에는 애노드에서 알칼리 금속을 벗겨내어 캐소드에 재증착시키며 작동하고, 배터리 전압은 산화환원 활성 성분에 의해 결정되고, 배터리 용량은 알칼리 금속 애노드의 양에 의해 결정된다고 명시한다. 이 작동 메커니즘은 대부분의 기존 리튬 이온 배터리 재료의 삽입(층간 삽입) 메커니즘과는 근본적으로 다르다.

2018년, 동일한 저자들이 미국 화학회지에 새로운 버전의 배터리를 발표했는데, 이 버전에서는 다른 재료들이 다른 속도로 팽창함에 따라 계면 균열을 방지하기 위해 캐소드를 특수 가소제 용액으로 코팅했다. 브라가는 새 배터리가 기존 리튬 이온 배터리의 두 배 에너지 밀도를 가지며, 23,000회 재충전될 수 있다고 말했다. 비평가들은 논문에서 기록적으로 높은 상대 유전율과 같이 여러 가지 비범한 주장을 지적했다. 이는 기록된 어떤 물질보다 높을 수 있으며, 다른 모든 배터리 기술에서 일반적으로 감소하는 것과 달리 많은 충전 주기 동안 배터리 용량이 증가한다는 주장이 있었다. 또한 논문은 배터리가 전원 공급을 중단한 후에도 충전 상태를 유지할 수 있는지 명확하지 않아, 이것이 진정으로 새로운 배터리 기술인지 아니면 단순히 축전기인지 불분명하게 했다. 브라가는 비평가들에게 "데이터는 데이터이며, 우리는 4개의 다른 기기, 다른 연구실, 글러브 박스에서 많은 다른 셀로부터 유사한 데이터를 가지고 있습니다. 그리고 결국, 23,000회 이상 순환한 후에도 매우 적은 양의 활성 물질로 며칠 동안 LED가 켜져 있습니다"라고 답했다.

 리튬 이온 배터리와의 비교 
브라가와 구디너프는 이 배터리가 현재 리튬 이온 배터리보다 몇 배 높은 에너지 밀도를 가질 뿐만 아니라, 현재의 전고체 배터리보다 훨씬 낮은 까지 작동 온도 범위를 가질 것으로 예상한다고 밝혔다. 전해질은 또한 넓은 전기화학적 창을 갖는다고 명시되어 있다. 이 배터리의 설계는 인화성 액체 전해질의 사용을 피하므로 리튬 이온 배터리보다 안전하다. 또한 리튬 대신 저렴한 나트륨을 사용하여 배터리를 만들 수 있다.

저자들은 이 배터리가 리튬 이온 배터리보다 훨씬 짧은 충전 시간(시간이 아닌 몇 분)을 가진다고 주장한다. 저자들은 또한 낮은 셀 저항으로 1,200회 이상의 충전 주기 동안 알칼리 금속/전해질 계면의 안정성을 테스트했다고 밝혔다. 리튬 이온 배터리의 사양은 일반적으로 천회 미만이다.Tim De Chant, "Super-Safe Glass Battery Charges in Minutes, Not Hours", NovaNext, 17 March 2017.Mark Anderson, "Will a New Glass Battery Accelerate the End of Oil?", IEEE 스펙트럼, 3 March 2017

 같이 보기 
 배터리 종류 목록

 각주 

분류:이차 전지