일본 토호쿠 대학의 금속 재료 연구소와 스미토모 화학 주식회사가 알루미늄 음극으로 배터리의 열화를 막아주는 구조에 대해 설명했습니다.
리튬 이온 2차 전지는 양극, 음극, 전해질, 세퍼레이터의 네 가지 부분으로 구성되며, 양극과 음극 사이에 리튬 이온이 이동하며 충/방전이 진행됩니다. 배터리를 충전할 때 양극에서 이동한 리튬 이온을 음극이 포획하는데, 음극에는 주로 탄소 계열 재료를 사용합니다.
주석이나 알루미늄 같은 금속 재료나, 실리콘을 사용하면 탄소 계열보다 훨씬 더 많은 에너지를 축적하지만, 충/방전 시 팽창/수축이 훨씬 더 크기에 내부의 전극 구조가 무너지면서 쉽게 열화되는 문제가 있습니다.
여기에선 고순도 알루미늄 호일의 경도를 최적화해 수축/팽창을 제어했습니다. 지금까지 음극은 리튬 이온을 축적하는 탄소 계열 재료와, 전류를 끌어오고 기판의 기능을 수행하는 동박 부분을 합쳐야 했으나, 이번의 고순도 알루미늄 호일은 혼자서 두 가지 역할을 모두 수행합니다.
고순도 알루미늄 호일의 경도를 최적화하면 호일 전면에서 리튬 이온이 받아들여지며 알루미늄과 리튬 금속 사이에 화합물이 균일하게 형성됩니다. 금속 화합물은 비율이 1:1이 아니어도 형성되기에 균일하게 팽창하며 충전됩니다. 방전 시 표면에서 리튬 이온을 방출할 때는 많은 구멍이 열린 구조가 형성됩니다.
일체형 알루미늄 음극을 도입하면 기존의 리튬 이온 2차 배터리보다 제조 공정이 단순해져 가격이 더 낮아집니다.