순수 리튬 음극 및 열원 열량 변화에 따른 대용량 열전지 방전성능 및 열해석

Abstract

군사 및 우주용으로 사용되는 열전지(thermal battery)의 대용량화를 위해서는 합금형 음극 소재(예, Li-Si)보다 고에너지 특성과 고 출력 특성을 갖는 순수 리튬 음극 소재에 대한 연구가 반드시 필요하다. 본 논문에서는 고 에너지와 고출력 특성을 갖는 순수 리튬 음극 기반의 열전지 개발 연구를 위하여, 문헌조사, 이론적 해석, 단위전지 조성설계, 단위전지 방전시험, 대용량 열전지 제작, 열설계/열해석, 실제 대용량 전지 시험/비교 순으로 진행하였다. 먼저, 문헌조사와 기술노하우 등을 통해 리튬 음극(LiFe anode) 제작 공정을 확립하였다. 글로브박스 내의 수분, 수소, 질소, 산소 농도가 1 ppm 미만인 조건에서 최적의 '용융 리튬과 철 분말의 교반 조건'을 도출하였다. 교반용기를 350도로 가열하고, 교반기의 회전속도를 150 rpm으로 설정하여 약 15~20 분마다 반복해서 철 분말을 교반용기 내의 용융리튬에 투입하였다. 이렇게 교반된 잉곳을 압연(press), 롤링하여 음극으로 만드는 공정을 확립하였다. 더 나아가 교반의 편리성을 위하여 자동교반장치까지 설계/제작하였다. 위의 공정으로 제작되는 LiFe 음극의 최적 조성 설계를 위해, 순수 리튬 함량(13, 15, 17, 20 wt%)을 조절하여 제작하였다. 전극 누액이 발생하지 않는 지를 확인하기 위한 가압시험(3, 4, 6, 10 kg$_f$/cm$^2$)을 수행하였다. 그 결과, 최적의 LiFe 음극 내 리튬 함량( Li wt %)은 13 wt% 임을 확인하였다. 또한, LiFe 음극의 균일한 제작 및 내부의 Li:Fe간 조성 상태 및 방전 전후의 전극 내부 생성물질 등을 확인하기 위하여 미세구조를 분석하였다. LiFe 단위셀을 제작하여 Li-Si 단위셀과 성능 비교한 결과, LiFe 단위셀은 807.1 Wh/l, Li-Si 단위셀은 522.2 Wh/l의 비에너지 밀도 차이가 발생하였다. 이는 LiFe 단위셀이 Li-Si 단위셀보다 50 % 가량 우수함을 보이는 것이다. 열전지의 열해석 및 최적 방전온도를 확인하기 위하여, 기존의 합금 음극(Li-Si)형 열전지와 순수 리튬 음극(LiFe)형 열전지를 대상으로 성능이 최적으로 발현되는 셀 온도를 단위셀 방전실험을 통하여 확인하였다. 그 결과, Li-Si 열전지 전극의 최적 방전온도는 500도 범위이고, LiFe 열전지 전극의 최적 방전온도는 550도 내외임을 확인하였다. 위의 실험결과를 바탕으로 1 kWh급 대용량 열전지(80셀, 150V)를 대상으로 COMSOL Multiphysics 프로그램을 활용하여 Li-Si 및 LiFe 열전지용 열원의 최적 설계 열량을 도출하였다. 해석결과, 열전지 전극의 최적 방전온도에 맞춰 설계한 최적의 열용량 값은 Li-Si의 경우 100 cal/g이고, LiFe 열전지의 경우 110 cal/g 이다. 위의 COMSOL 프로그램을 통해 얻은 열원의 열량 설계 기준으로 대용량 열전지를 제작하여 정전류(40A) 방전시험을 수행하였다. 그 결과, COMSOL 해석 결과와 방전시험 결과가 일치함을 확인하였다. 또한, 대용량 80셀, 1 kWh급 열전지의 경우 Li-Si 열전지보다 LiFe 열전지의 부피 비에너지 에너지 밀도가 2.34배 증가함을 확인하였다. 본 연구결과는 대용량 고전압 열전지 음극 조성 및 열설계를 위한 연구자료로써 활용 될 수 있을 것이다.