열전지용 리튬음극의 전기화학적 특성

Electrochemical Properties of Lithium Anode for Thermal Batteries

Abstract

최근 열전지는 우주 및 국방분야에서 활용하기 위하여 고출력 및 고에너지 밀도의 새로운 전극재료가 요구되는 실정이다. 본 논문에서는 성형성과 용량의 한계를 가지는 펠릿 타입의 리튬-실리콘 합금(Li(Si)) 음극을 대체하기 위하여 고밀도를 가지는 리튬음극을 제조하고, 단위전지 및 열전지의 전기화학적 성능에 미치는 영향을 고찰하였다. 리튬음극은 $500^{\circ}C$에서 안정적인 작동을 위하여 철 분말을 바인더로 사용하였고 리튬 중량별(17, 15, 13 wt%) 단위전지 성능평가를 통해 리튬 13 wt%에서 안정적인 성능을 확인하였다. 또한 리튬음극을 사용한 단위전지의 개회로전압이 2.06 V로 Li(Si) 음극 개회로전압 1.93 V에 비해 약 0.1 V 이상 높게 나타났고, first phase에서 리튬음극의 비용량은 $1,632As{\cdot}g^{-1}$로 Li(Si) 음극의 비용량 $1,181As{\cdot}g^{-1}$에 비해 약 1.4배 정도 성능이 향상됨을 확인하였다. 리튬음극을 적용한 열전지를 상온 및 고온 성능시험 결과를 통하여 Li(Si) 음극 열전지에 비해 전압 및 작동시간 등이 탁월하며, 출력특성 및 에너지밀도가 획기적으로 향상됨을 확인하였다.

Recently, the current thermal battery technology needs new materials for electrodes in the power and energy density to meet various space and defense requirements. In this paper, to replace the pellet type Li(Si) anode having limitations of the formability and capacity, electrochemical properties of the lithium anode with high density for thermal batteries were investigated. The lithium anode (Li 17, 15, 13 wt%) was fabricated by mixing the molten lithium and iron powder used as a binder to hold the molten lithium at $500^{\circ}C$. The single cell with 13 wt% lithium showed a stable performance. The 2.06 V (OCV) of the lithium anode was significantly improved compared to 1.93 V (OCV) of the Li(Si) anode. Specific capacities during the first phase of the lithium anode and Li(Si) were 1,632 and $1,181As{\cdot}g^{-1}$, respectively. As a result of the thermal battery performance test at both room and high temperatures, the voltage and operating time of lithium anode thermal batteries were superior to those of using Li(Si) anode thermal batteries. The power and energy densities of Li anode thermal batteries were also remarkably improved.

Figure 1. The photography of Li/Fe ingot (a) and Li anode (b).

Figure 4. SEM image of Fe powder.

Figure 2. A single cell test assembly.

Figure 6. Single cell discharge performances of Li Anode by Li contents.

Figure 7. Single cell discharge comparison for Li anode and Li(Si) anode.

Figure 8. Total polarization comparison for Li anode and Li(Si) anode single cell.

Figure 9. Discharge performance of Li anode and Li(Si) anode thermal battery at room temperature.

Figure 10. Discharge performance of Li anode and Li(Si) anode thermal battery at high temperature (+ 63 ℃).

Figure 3. The design of Φ75 × L165 mm thermal battery (a) and Φ75 × L130 mm thermal battery (b).

Figure 5. SEM image of Li (17 wt%) anode (a), Li 15 wt% (b), and Li 13 wt% (c).

Table 1. Properties of the Electrodes

Table 2. Discharge Results of Li Anode and Li(Si) Anode Single Cells

Table 3. Discharge Results of Li Anode and Li(Si) Anode Thermal Batteries at Room and High Temperature