2차전지의 필수재료, 리튬과 그 대체 물질 전망

리튬의 장, 단점

 

장점:

높은 에너지 밀도: 리튬은 가장 가볍고 가장 높은 에너지 밀도를 가진 금속 중 하나입니다. 따라서, 더 많은 에너지를 저장할 수 있기 때문에, 더 큰 용량의 배터리를 만들 수 있다는 장점이 있습니다.

 

긴 수명: 리튬 이온 배터리는 다른 유형의 배터리보다 더 많은 충전과 방전 순환을 할 수 있습니다.

 

속도 충전: 리튬 이온 배터리는 상대적으로 빠른 충전이 가능합니다.

 

단점:

 

안전 문제: 리튬 이온 배터리는 방전, 충전 시 발열 및 폭발의 위험이 있습니다. 이러한 안전 문제는 기술 발전으로 해결이 가능하지만 아직까지 이 문제는 존재합니다.

 

첨단 기술 요구: 리튬 이온 배터리를 제조하는 것은 기술적으로 복잡하며 상당한 비용이 들 수 있습니다.

 

응답성 감소: 리튬 이온 배터리는 오래된 경우 응답성이 떨어질 수 있습니다. 이것은 휴대폰 등 일부 장치에서 배터리 수명이 짧아지는 문제로 나타날 수 있습니다.

 

리튬 채굴로 인한 환경파괴문제

자연 생태계 파괴: 광산을 개발하고 리튬을 추출하려면 많은 수의 나무, 식물 및 동물을 제거해야 합니다. 이는 지역 생태계 파괴로 이어지며, 이후 수년간 이 지역은 환경적 파괴에 노출됩니다.

 

지하수 및 지표수 오염: 리튬 채굴 부지에서 추출 프로세스를 위해 화학 물질이 사용됩니다. 이러한 화학 물질은 지하 수거와 지표 수에 유출되어 지역의 물 질에 오염을 일으키며, 생물 다양성을 감소시킵니다.

 

대기 중 미세먼지 배출: 리튬을 추출하기 위해 채광장에서 지폐기계, 밀링기계, 새로운 화학 물질 생산 선 등과 같은 기계를 사용합니다. 이는 대기 중 미세먼지를 많이 만들어 보통 정상 대비 4배나 높은 미세먼지 발생량을 일으킵니다.

 

지역 교통량 증가: 리튬 부지에 방문하는 기업, 관광객 및 직원의 수 증가로 인해 교통량이 증가하게 됩니다. 이로 인해 지역 교통 체증 및 대기오염이 발생할 수 있습니다.

 

탄화물 배출: 리튬 추출 과정에서는 석탄, 금속 제련 과정에서 사용되는 탄화물과 같은 화석연료가 사용됩니다. 이는 지대별 석탄 발전물질이 포함된 미세이 가스를 방출시키며 온실 가스 배출의 원인이 됩니다.

 

따라서, 지속가능한 환경을 위해서는 리튬 채굴 및 생산과정에서 생길 가능성이 있는 위의 환경적 문제들을 예방해 나갈 필요가 있습니다.

리튬 대체 물질 연구

 

리튬 대체 물질 연구는 현재 전 세계적으로 활발하게 진행되고 있습니다. 여러 가지 기술적, 경제적, 환경적 문제로 인해 리튬 대체 물질 연구의 중요성이 높아지고 있습니다.

 

나트륨 이온 배터리: 나트륨 이온 배터리는 리튬 이온 배터리의 대안으로, 대체 재료인 나트륨을 사용합니다. 나트륨은 지구에서 가장 풍부한 원소 중 하나이며, 리튬의 가격상황 탓에 연구 대상으로 자리를 잡고 있습니다.

 

수소 연료전지: 수소 연료전지는 물과 전기를 생성하며, 이들 중에 하나가 연료로 사용됩니다. 수소 연료 전지는 대체재료 가능성이 높습니다. 하지만 아직까지 수소생산 시 배출되는 CO2 문제를 해결하지 못하였습니다.

 

그래핀: 그래핀은 탄소로 이루어진 2차원 물질로, 리튬 이온 배터리를 대체할 수 있는 유망한 물질입니다. 그래핀의 에너지 저장량과 성능이 높은 데다가 리튬 이온 배터리와 달리 팽창과 수축이 적어 좋은 신뢰성을 가지고 있습니다.

 

마그네슘 이온 배터리: 마그네슘 이온 배터리는 리튬 이온 배터리의 대안으로, 리튬 대비 리스크와 비용이 적은 연구 분야입니다.

 

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소듐배터리에 대한 개요 및 장,단점

 

생물학적인 에너지 생산: 최근의 연구는 미세생물 나노 세포에서 직접 에너지를 생성할 수 있는 방식으로 주목받고 있습니다.

 

이러한 대체 물질들은 아직까지 리튬의 성능과 저렴한 가격을 보장하지는 못합니다. 그러나 포용성과 친환경성이 높은 대체 물질을 연구, 개발하고 적용하는 것이 중요한 사회적 과제로 인식됩니다.

 

대체 물질 연구에서 가장 유망한 후보

 

리튬 대체 물질 연구에서 가장 유망한 후보는 지속적인 연구와 시험을 거쳐 성능과 안전성이 검증된 재료입니다. 그러나 그중에서도 가장 큰 상용화 가능성을 가진 대체 재료로는 탄소나 그래핀 등의 나노물질, 나트륨 이온 배터리, 마그네슘 이온 배터리가 있습니다.

 

그래핀 및 탄소나노튜브: 그래핀과 탄소나노튜브는 높은 전체적인 에너지 저장 및 빠른 충전 가능성으로 가장 강력한 성능을 발휘할 수 있는 후보물질입니다.

 

나트륨 이온 배터리: 나트륨은 지구상에서 가장 풍부한 원소 중 하나이며, 리튬에 비해 높은 대용량이 될 수 있습니다.

 

마그네슘 이온 배터리: 리튬에 비해 안전성은 높지만 전기화학적 활동이 적기 때문에 출시에 많은 제약이 따릅니다.

 

브로멀리드: 브로멜리드는 사과, 파인애플, 자몽, 구아버 등의 과실에서 추출한 효소로, 나 노화된 브로멜리드와 칼슘 앵귤레이트로부터 만들어진 전해질을 사용한 배터리입니다.

 

인공지능 기술을 활용하여 개발된 선택적 분원 물질: 인공지능의 다양한 기능을 사용하여 자동으로 선택적 분리 및 선별 능력을 갖는 리튬 대체 물질이 개발됩니다.

 

위에서 언급된 리튬 대체 물질은 리튬 대비 분자량, 구조, 충전 시와 연속적으로 용이하게 흐름 하는 이온의 종류와 특성 등에서 어느 정도 우세가 있는 후보물질입니다. 그러나 연구 상황에서 결정적으로 단순히 정량적인 비교에 불과하며, 최종적인 사업화 가능성은 성능과 안전성, 경제성 등의 많은 요인에 달려있습니다.