새로운 배터리 혁신: 암염-폴리음이온 음극

배터리의 실질적인 에너지 밀도를 높이는 데 새로운 연구가 진전되었습니다.

자동차 산업에서의 사용 증가, 휴대용 가전제품의 인기 증가, 엄격한 환경 규제로 인해 배터리 수요가 전 세계적으로 증가하고 있습니다. 이에 따라 세계 배터리 시장은 2023년 약 1,200억 달러에서 2036년에는 8,000억 달러에 이를 것으로 예상됩니다.

이러한 성장 예상에 비추어 연구원들은 에너지 출력, 에너지 저장, 전력 용량, 사이클링 용량과 같은 특성에 영향을 미치는 배터리의 중요 부품을 개선하기 위해 지속적으로 새로운 재료와 화학 물질을 개발하고 테스트하고 있습니다.

이러한 구성 요소에는 음극(양극), 양극(음극), 전해질(전극 간 이온 전달용) 및 분리막이 포함됩니다.  

EV, 스마트폰, 에너지 저장 시스템 등 오늘날 대부분의 배터리 구동 장치는 리튬 이온 배터리 기술을 사용합니다. 리튬 이온 배터리는 작은 크기에 엄청난 양의 에너지를 저장할 수 있고, 빠르게 충전되며, 오래 지속됩니다.

그러나 더 높은 성능의 배터리에 대한 수요가 증가함에 따라 효율성 향상, 비용 절감, 안전성 향상 및 지속 가능성 증진을 위한 새로운 기술이 연구 개발되고 있습니다.

수년에 걸쳐 지속적인 연구를 통해 리튬 이온 및 납축 배터리에 대한 유망한 대안을 제공하는 발전이 이루어졌습니다. 

나트륨 이온 배터리는 더 낮은 온도에서 더 나은 성능을 발휘하는 더 저렴하고 안전한 옵션을 제공합니다. 이 배터리는 리튬 이온 배터리와 유사하지만 바닷물을 전해질로 사용하므로 아직 최적화되지 않았지만 에너지 저장에 더 적합합니다. 연구자들은 나노와이어의 탄력성을 높이고 배터리 사용에 적합하게 만들기 위해 전해질 젤을 사용하고 있습니다. 

반면 전고체 배터리는 젤이나 액체 전해질 대신 유리, 세라믹, 폴리머 등 고체 전해질을 사용한다. 이 배터리는 훨씬 더 효율적이고, 무게도 더 가볍고, 충전도 더 빠르며, 이미 스마트폰과 심박 조율기에 사용되고 있습니다. Toyota와 BMW는 현재 전고체 배터리 구동 자동차 출시를 위해 노력하고 있지만 아직 몇 년이 걸릴 것입니다.

새로운 배터리 기술에는 비용 효율적이지만 내구성에 한계가 있는 리튬-황 배터리와 코발트 채굴 시 인권 문제를 해결하는 데 도움이 될 수 있는 무코발트 리튬 이온 배터리가 포함됩니다. 그러나 TAQ와 같은 대안은 여전히 ​​새롭고 더 많은 테스트가 필요합니다.

아연-이산화망간, 아연-공기, 아연-브롬, 아연 이온 배터리 등의 기술을 통해 아연 기반 배터리도 연구되고 있습니다. 그러나 비효율적이고 때로는 예상치 못한 화학적 전환 반응이 수반되며 제조 비용이 많이 들고 더 많은 연구가 필요합니다.

세계적으로 점점 더 배터리에 대한 의존도가 높아짐에 따라 전 세계 과학자들은 저장 시간, 전력 출력, 생산 비용 및 즉시 준비 상태를 혁신하는 데 주력하고 있습니다.

최신 배터리 혁신: 암염-폴리음이온 음극

배터리의 실질적인 에너지 밀도를 높이는 데 새로운 연구가 진전되었습니다. 지난달 말 네이처 에너지(Nature Energy)에 게재된 "과도한 리튬 및 안정화된 사이클링을 갖춘 통합 암염-폴리음이온 음극"이라는 제목의 연구는 MIT 원자력 과학 및 공학부에서 수행되었습니다.

이 연구는 리튬 이온 배터리에 사용되는 고급 양극 재료로 10년 이상 연구되어 온 무질서 암염에서 발견된 새로운 양극 재료에 중점을 둡니다. 

MIT 연구진은 이 소재가 EV, 휴대폰, 재생 에너지 저장 장치를 위한 고에너지, 저비용 저장 장치를 만들 수 있음을 확인했습니다.

도쿄전력의 Ju Li 교수가 이끄는 원자력공학 교수팀은 DRXPS(무질서한 암염-다가음이온 스피넬)를 신소재로 발견했습니다.

폴리음이온과 통합된 이 새로운 범주의 부분적으로 무질서한 암염 음극은 향상된 순환 안정성과 함께 고전압에서 높은 에너지 밀도를 제공하는 것으로 밝혀졌습니다. 일반적으로 양극재의 에너지 밀도와 순환 안정성 사이에 상충 관계가 있다는 점을 고려하면 이는 대단한 성과입니다.

“이번 연구를 통해 우리는 새로운 음극 화학물질을 설계하여 한계를 뛰어넘는 것을 목표로 합니다.”

– 논문의 첫 번째 저자이자 NSE 박사후 연구원인 Yimeng Huang

이제 신소재 계열은 어떻게 높은 에너지 밀도와 우수한 사이클링 안정성을 모두 달성할 수 있을까요? 그 답은 암염과 다가음이온 감람석이라는 두 가지 주요 음극 물질의 통합에 있습니다. 이를 결합하여 두 가지 이점을 모두 얻을 수 있었습니다.

여기서 또 다른 역할을 하는 것은 망간(Mn)입니다. 망간(Mn)은 지구상에서 풍부하게 발견되는 단단한 은빛 금속이며 현재 음극에 사용되는 다른 원소보다 훨씬 저렴합니다. 

예를 들어 망간은 배터리에 흔히 사용되는 코발트(Co)보다 약 30배, 니켈(Ni)보다 5배 정도 저렴합니다. 또한 망간은 더 높은 에너지 밀도를 달성하는 데 중요한 역할을 합니다. 

“(이런) 재료가 훨씬 더 땅에 풍부하다는 것은 엄청난 이점입니다.”

– 리 재료공학과 교수

연구자들에 따르면 이러한 이점은 재생 에너지 인프라가 필요한 탄소 제로 미래에 큰 가치가 있다고 합니다. 

배터리는 중요한 역할을 할 수 있습니다

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