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2020년 최대 기술발전, 배터리 혁신: 세계에서 가장 빠른 전극을 제작하든, 핵 폐기물로 배터리 부품을 만들 든, 음파의 도움으로 화재위험을 방지하든, 2020년은 차세대 에너지 저장기술을 개발할 때 상상력이 풍부한 과학자들이 성공하고 있다.

박민제 | 기사입력 2021/01/02 [17:03]

2020년 최대 기술발전, 배터리 혁신: 세계에서 가장 빠른 전극을 제작하든, 핵 폐기물로 배터리 부품을 만들 든, 음파의 도움으로 화재위험을 방지하든, 2020년은 차세대 에너지 저장기술을 개발할 때 상상력이 풍부한 과학자들이 성공하고 있다.

박민제 | 입력 : 2021/01/02 [17:03]

 

 

2020년 최대 기술발전, 배터리 혁신

배터리 설계 및 화학은 과학 연구에서 매우 활발한 분야이며 2020 년에는 이러한 장치가 향후 몇 년 동안 개선 될 수있는 다양한 방법을 살펴 보았습니다.
배터리 설계 및 화학은 과학연구에서 매우 활발한 분야이며 2020년에는 이러한 장치가 향후 몇 년 동안 개선 될 수있는 다양한 방법을 살펴 보았다.
 

현대 세계 엔진룸들은 오늘날 배터리의 성능을 높이는 데 집중하고 있으며 연구자들은 그 목표를 추구하기 위해 모든 종류의 길을 모색하고 있다. 세계에서 가장 빠른 전극을 제작하든, 핵 폐기물로 배터리 부품을 만들 든, 음파의 도움으로 화재위험을 방지하든, 2020년은 차세대 에너지 저장기술을 개발할 때 상상력이 풍부한 과학자들이 성공하고 있다.

올해 우리는 전극의 기능을 개선하기위한 수많은 창의적인 방법을 살펴보고, 그래핀의 대시가 전해질을 더 강하게 만드는 방법과 첨단 소재가 배터리충전 속도를 높이거나 훨씬 더 높은 밀도를 제공하는 데 어떻게 도움이되는지 살펴보았다. 창의적인 생각의 결과인 좀 더 급진적 인 배터리디자인과 함께 이러한 연구 하이라이트를 살펴보자.

 

금속에 페달 넣기

손민규 교수가 WSU 연구팀을 이끌고 새로운 리튬 배터리 설계를 제안했습니다.
손민규 교수가 WSU 연구팀을 이끌고 새로운 리튬배터리설계를 제안했다.
워싱턴 주립 대학

새로운 재료를 도입하여 배터리를 강화할 때 모든 옵션이 테이블에 있지만 잠재력이 큰 것은 리튬금속이다. 현재 사용되는 흑연과 구리 대신 리튬금속을 양극으로 사용하는 일부 사람들은 "꿈의 소재"라고 설명하며 오늘날 배터리의 밀도를 크게 높여 배터리를 훨씬 더 오래 사용하고 훨씬 더 많은 에너지를 유지할 수 있다.

문제는 안전이다. 배터리가 충전되면 덴 드라이트로 알려진 성장이 리튬 금속 양극 표면에 형성되어 전기 단락, 화재 및 궁극적으로 장치 고장을 유발하는 경향이 있다. 우리는 2020년에이 문제를 해결하기위한 몇 가지 혁신적인 접근방식을 보았다. 여기에는 수상돌기를 방지하기 위해 음극 및 전해질 용액에 몇 가지 주요 화학물질을 추가하는 것이 포함된 워싱턴주립 대학 과학자들이 있다.

이로 인해 리튬금속 양극표면에 보호층이 형성되어 500사이클 동안 충전되는 동안 안정적으로 유지 될 수 있다. 상용화를 목표로하는 팀의 유리한 점은 프로세스를 기존 제조 절차에 통합 할 수 있다는 것이다.

고체 상태, 수상 돌기 없음

QuantumScape의 솔리드 스테이트 배터리 (오른쪽)는 일반 리튬 이온 셀 (왼쪽)보다 무게와 부피당 훨씬 더 많은 에너지를 저장하며 날아 다니는 색상으로 일련의 EV 관련 테스트를 방금 통과했습니다.
QuantumScape의 솔리드 스테이트 배터리 (오른쪽)는 일반 리튬 이온 셀 (왼쪽)보다 무게와 부피당 훨씬 더 많은 에너지를 저장하며 날아 다니는 색상으로 일련의 EV 관련 테스트를 방금 통과했습니다.
QuantumScape

12월에 캘리포니아의 배터리제조업체 QuantumScape는 전기자동차용으로 설계된 고체리튬 금속배터리의 성능 수치를 발표했으며 확실히 우리의 관심을 끌었다. 평면 전기자동차를 하루 15분 만에 80%까지 충전 할 수 있다.

이 회사는 부분적으로 액체 전해질이 아닌 고체전해질과 배터리가 충전 될 때 집 전체 주변에 형성되는 리튬 금속으로 만든 양극 덕분에 실제로 가능하다고 주장한다. 이 고체 리튬 금속 배터리는 또한 고체 세라믹 재료로 만든 양극과 음극 사이의 분리막 덕분에 수상 돌기 문제를 방지한다.

이 혁신적인 디자인의 결과물은 용적 기준으로 1kWh / 리터에서 Tesla 모델 3의 리튬 배터리에 비해 약 4배의 에너지 밀도가 뛰어난 배터리이다. 무게와 관련하여 배터리는 또한 kg 당 380 ~ 500wH를 제공하며, 이는 Tesla의 배터리 팩에서 kg 당 260Wh 이상이다. 또한 배터리는 800회 사이클 후에도 용량의 80%를 유지하는 것으로 밝혀졌으며 이는 안전성과 수명에 좋은 징조이다.

파도 타기

음파에서 University of California San Diego 과학자들은 주요 배터리 문제에 대한 잠재적 인 해결책을 봅니다.
음파에서 University of California San Diego 과학자들은 주요 배터리 문제에 대한 잠재적인 해결책을 본다.

2 월에 우리는 University of California San Diego의 연구원 그룹에서 리튬-금속 배터리의 수상 돌기 성장을 방지하기위한 다소 상상력있는 접근 방식을 살펴보았다. 연구팀은 초소형 초음파 장치를 만들어 리튬금속배터리에 통합하여 액체 전해질을 통해 고주파 음파를 전달하여 정전기를 유지하는 대신 부드럽게 흐르도록했다.

이것은 일반적으로 수지상 성장으로 이어지는 고르지 않은 덩어리보다는 양극에 리튬의 깔끔하고 균일 한 분포를 생성하는 효과가있었다. 테스트에서이 초음파가 장착 된 배터리는 단 10 분 만에 0 %에서 100 %까지 충전 할 수 있으며 250 회 충전주기 동안 안정적으로 입증되었으며 다시 안전을 위해 잘 결합되었다.

빠르게 충전되는 배터리

과학자들은 더 빨리 충전하고 고장 가능성을 줄일 수있는 고급 리튬 배터리 개발에 돌파구를 마련했습니다.
과학자들은 더 빨리 충전하고 고장 가능성을 줄일 수있는 고급 리튬 배터리 개발에 돌파구를 마련했다. 

과학자들이 리튬금속배터리를 현실로 만드는 또 다른 예에서 텍사스 A & M 대학의 과학자들은 탄소나노튜브로 만든 작은 스캐 폴드를 양극으로 통합 하는 장치를 선보였다. 이들은 리튬 이온을 표면에 결합시키는 분자로 묶여 표면에 수상 돌기가 형성되는 것을 방지한다.

이 설계는 안전측면에서 상자를 선택했지만 이 배터리 아키텍처는 더 큰 전류를 생성 할 수 있음을 입증했다. 실제로 훨씬 더 커져서 팀은 자사의 장치가 기존 배터리보다 5 배의 전류를 처리 할 수 ​​있다고보고하여 단 몇 분만에 충전 할 수있는 가능성을 높였다.

혼합물에 실리콘 가져 오기

리튬 이온 배터리 아키텍처에 실리콘을 사용하면 에너지 밀도를 크게 높일 수 있습니다.
리튬 이온 배터리 아키텍처에 실리콘을 사용하면 에너지 밀도를 크게 높일 수 있다.

리튬금속은 잠재력이 많은 양극 재료로 형성되지만 다른 흥미로운 가능성이 있다. 실리콘은 오늘날 흑연과 구리의 리튬이온 양의 4배를 저장할 수있는 능력을 가진 하나의 예이지만 용량은 빠르게 감소하는 경향이 있다.

지난 6월에 우리는 이 문제 에 대한 잠재적 인 해결책을 찾았는데 , 한국과학기술원의 과학자들은 장치의 수명을 향상시키기 위해 리튬프리로드라는 기술을 사용했다. 여기에는 전자와 리튬이온이 전극으로 스며들게하는 특수 용액에 실리콘 양극을 담그는 것이 포함되어 사이클링 중에 발생하는 손실을 보완한다.

대부분의 실리콘 기반 양극은 초기 충전주기 동안 리튬 이온의 20 % 이상을 방출하지만이 새로운 양극은 테스트 중에 1% 미만의 손실을 입었다. 또한 시판되는 제품보다 에너지 밀도가 25 % 더 높은 것으로 나타났다.

전자 레인지와 소금

플라스틱 병은 엄청난 폐기물의 원천이지만 과학자들은이를 차세대 배터리에 사용할 수있는 방법을 발견했을 수 있습니다.
플라스틱 병은 엄청난 폐기물의 원천이지만 과학자들은이를 차세대 배터리에 사용할 수있는 방법을 발견했을 수 있다.

많은 잠재력을 가진 또 다른 배터리 화학 물질은 나트륨이온이다. 리튬은 상대적으로 드물고 채굴하면 비용이 많이들고 환경에 해를 끼칠 수 있다. 반면에 소금은 어디에나 있으며 이러한 풍부함은 대규모 그리드 규모 애플리케이션을위한 훨씬 저렴한 배터리로 변환 될 수 있다. 4 월에 우리는이 배터리의 핵심 구성 요소가 비슷하게 풍부한 재료에서 어떻게 공급 될 수 있는지 보았다.

재활용 가능한 PET 플라스틱으로 시작하여 Purdue University의 과학자들은 재료를 박편으로 줄이고 초고속 마이크로파 조사로 처리하여 이 나트륨 테레프탈레이트로 알려진 물질로 전환 할 수있었다. 이 작은 유기분자는 뛰어난 전기 화학적 성능으로 인해 잠재적인 양극재료로 오랫동안 열광해 왔으며, 연구팀은 기능하는 나트륨이온 전지의 일부로 그 생성을 입증 할 수있었다.

당시 수석연구원 인 Vilas Pol은“우리는 사회적 관심과 기후 변화 및 에너지 자원 제한에 대한 인식 증가에서 비롯된 재생에너지 변환 및 저장의 확산 증가를 해결하는 데 도움을주고 있다.

바다의 영감

새우 껍질에서 발견되는 키틴은 플로우 배터리를위한 지속 가능한 전극을 생산하는 데 사용되었습니다.
새우 껍질에서 발견되는 키틴은 플로우 배터리를위한 지속 가능한 전극을 생산하는 데 사용되었습니다.

연구원들이 재생 가능 에너지를위한 그리드 규모의 저장 솔루션을 제공 할 수 있기를 바라는 또 다른 대체 배터리 설계는 산화 환원 흐름 배터리이다. 이 장치는 배터리 자체 내부에 에너지를 저장하는 대신 거대한 외부탱크의 액체 전해질에 에너지를 저장한다. 탱크크기를 늘려 저장 잠재력을 간단히 늘릴 수 있다.

6월에 MIT연구팀 은 이러한 배터리의 핵심 구성 요소를보다 지속 가능한 재료로 만드는 방법을 시연했다. 키틴은 새우 껍질에서 발견되는 셀룰로오스와 유사한 다당류이며, 연구원들은이를 펠트와 함께 사용하여 우수한 전력 밀도를 가진 산화 환원 흐름 배터리 용 전극을 생산할 수있었다.

이 연구의 선임저자 Francisco Martin-Martinez는 "이의 이점은 우수한 성능뿐만 아니라 시작 물질의 저렴한 비용에도있다. 이로 인해 폐기물 재사용을 고려할 때 전극을보다 지속 가능하게 만든다"고 말했다.

중력을 친구로 만들기

2021 년 초에 테스트를 위해 개장 할 Gravitricity 데모 시설의 컨셉 이미지
2021 년 초에 테스트를 위해 개장 할 Gravitricity 데모 시설의 컨셉 이미지
중력

재생 가능 에너지의 대규모 저장에 대한 또 다른 유망한 해결책은 중력에있을 수 있다. 스코틀랜드회사 Gravitricity는 거대한 무게와 강력한 윈치 및 케이블로 구성된 새로운 에너지 저장 시스템을 추구 하고 있다. 에너지가 필요할 때이 무게 추는 윈치를 돌리고 전기를 생성하는 샤프트 아래로 떨어질 수 있다.

이는 1 ~ 20MW 사이의 피크 출력에 대해 15 분 이내에 발생하거나 최대 8시간에 걸쳐 전력 방출을 끌어낼 수 있다. 이는 저비용 및 장기 에너지 솔루션으로 형성되고 Gravitricity는 프로토 타입 시스템 구축을 추진하고 있으며 이는 2021년 말에든버러에서 완료 될 때 테스트 될 것이다.

인성을위한 그래 핀 터치

세라믹 재료에 그래 핀을 추가함으로써 연구원들은 가장 강력한 고체 전해질을 만들었다 고 주장합니다.
세라믹 재료에 그래 핀을 추가함으로써 연구원들은 가장 강력한 고체 전해질을 만들었다 고 주장한다.

6월에 우리는 내구성이 인상적인 솔리드스테이트 배터리의 또 다른 예  살펴 보았다. 이 장치는 더 큰 에너지 밀도를 달성하기 위해 액체 전해질을 고체 전해질로 교체하지만 종종 배터리의 파손 또는 부식을 유발할 수 있다.

Brown University 연구팀은 세라믹 재료에 소량 첨가하여 누구보다 강하다고 주장하는 고체 전해질을 형성하는 경이로운 재료 그래핀으로 전환하여 이에 대한 해결책을 찾았다.

이 연구에서 흥미로운 점은 그래핀이 전기전도성이 높기때문에 대신 이온을 전도해야하는 배터리 전해질에 바람직한 속성이 아니라는 것이다. 그러나 그래핀의 농도를 충분히 낮게 유지함으로써 팀은 전기를 전도하지 못하지만 여전히 최고의 힘을 제공하는 최적의 지점을 찾을 수있었다.

세계에서 가장 빠른 전극

이점은 이온이 전하를 얼마나 멀리 운반해야 하는가에 관한 것입니다.  왼쪽에는 이온이 길고 순환적인 거리를 이동해야하는 전형적인 혼란스러운 전극 구조가 묘사되어 있습니다.  오른쪽은 수직으로 정렬 된 탄소 나노 튜브 구조의 단단한 구조로, 활성 물질의 모든 작은 덩어리와 내부의 이온을 집 전체에 직접 연결합니다.
이점은 이온이 전하를 얼마나 멀리 운반해야 하는가에 관한 것이다. 왼쪽에는 이온이 길고 순환적인 거리를 이동해야하는 전형적인 혼란스러운 전극 구조가 묘사되어 있다. 오른쪽은 수직으로 정렬 된 탄소 나노 튜브 구조의 단단한 구조로, 활성 물질의 모든 작은 덩어리와 내부의 이온을 집 전체에 직접 연결한다.
나와 테크놀로지스

모든 배터리에는 전류가 흐르는 한 쌍의 전극, 음극 및 양극이 포함되어 있으며 일반적으로 전하를 운반하는 이온이 들어오고 나가는 도중에 얽힌 스파게티와 같은 미로를 탐색해야하는 지저분한 구조이다. 울트라 커패시터 제조업체 인 Nawa  10 월에 훨씬 더 간단한 경로를 제공하는 자체 버전의 전극을 출시했다.

전극은 수직으로 정렬된 구조로 헤어브러시와 유사한 구조로 이루어져 있으며, 수 천억 개의 전도성 탄소 나노 튜브가 볼트를 똑바로 세우고 리튬 이온과 같은 활성 물질로 코팅되어 있다. 이것은 기본적으로 이동하는 이온을위한 고속도로를 생성하여 훨씬 더 편리한 방식으로 배터리 안팎으로 이동할 수있게한다.

실제로 이 회사는 번개처럼 빠른 전극이 배터리의 충전 및 방전 속도를 10배까지 증가시켜 5 분 만에 0 ~ 80% 충전을 가능하게 할 수 있다고 말한다. 한편 에너지 밀도는 한두 배 또는 세 배 정도 증가 할 수 있다.

Nawa는 이러한 전극의 제조공정이 저렴하며 기존 전극과 비용 경쟁력이있을 것이라고 확신한다. 이 기술은 2022년에 더 단순한 형태로 시장에 진입하기 시작하고 2023년부터는 더 발전된 버전으로 출시 될 것이다.  이를 위해 현재 여러 자동차 회사와 협의 중이며 프랑스 배터리 제조업체 Saft에 첫 대규모 고객을 배치했다.

 
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