트위스트 탄소 나노튜브는 리튬 이온 배터리를 능가

일본과 미국의 연구원들의 협력은 꼬인 탄소 나노튜브가 표준 리튬 이온 배터리보다 최대 3배 더 많은 에너지를 저장할 수 있는 방법을 보여주었다. 이 획기적인 연구는 가볍고 컴팩트하며 더 중요하게는 안전한 새로운 시대의 임플란트와 센서를 위한 길을 열 수 있다.

탄소 나노튜브는 일반적으로 탄소 원자의 단일 층으로 만들어진 나노미터 크기의 구조이다. 그래핀이라고도 하는 이 탄소 시트는 매우 가볍지만 강철보다 강하다. 이 소재의 우수한 특성은 과학자들이 여러 미래형 응용 분야에 사용하는 데 도움이 되었다. 일본 신슈 대학의 연구원으로, Sanjeev Kumar Ujjain는 탄소 nanotubes가 또한 에너지를 저장하기 위하여 이용될 수 있는지 알고 싶었다. 2022년에 그는 일본에서 메릴랜드 볼티모어 카운티 대학(UMBC)으로 옮겨 연구를 계속했고 탄소 나노튜브를 꼬으면 에너지 저장 효율성이 향상된다는 것을 발견했다.

기계식 코일 스프링에서 영감을 받음

일회용 배터리가 어린이 장난감에 동력을 공급하기 훨씬 전에 상징적인 기계식 코일 스프링이 있었다. 공학의 간단한 위업인 스프링은 열쇠로 감고 기계적 에너지를 위치 에너지로 저장했다가 나중에 방출하여 장난감의 바퀴가 쉽게 움직일 수 있도록 할 수 있다. 기계식 코일 스프링의 축소 버전은 과거의 와인딩 손목시계에도 동력을 공급했는데, 코일의 위치 에너지가 고갈되면 종종 잘못된 시간을 표시했다.

Ujjain은 시스템이 더 작은 규모에서도 작동하는지 테스트하고 싶었고 나노 스케일 탄소 나노튜브는 그의 작업을 테스트하기 위해 선택한 재료였다. 첨단 센서 기술 센터(CAST)의 그의 팀은 상업적으로 이용 가능한 탄소 나노튜브를 로프로 묶은 다음 잡아당기고 꼬아 단일 실로 만든 다음 강도와 유연성을 향상시키기 위해 다양한 물질로 추가로 코팅했다.

성능 측정

이 로프를 꼬았다가 나중에 풀었을 때 얼마나 많은 에너지가 방출되는지 결정하기 위해 팀은 몇 가지 실험을 수행하고 여러 재료에 대한 에너지 출력을 비교했다. 연구원은 그들의 뒤틀린 탄소 nanotubes가 단위 질량 당 강철 봄 보다는 15,000배 에너지를 더 붙들 수 있었다는 것을 발견했다. 이것은 칭찬할 만하지만 연구원들은 가장 큰 경쟁자가 인류가 만든 가장 높은 에너지 밀도 장치인 리튬 이온 배터리라는 것을 알고 있었다.

연구진은 표준 리튬 이온 배터리보다 3배 더 높은 에너지 저장 밀도를 성공적으로 입증했다. 리튬 이온 배터리가 다양한 작동 온도에서 제공하는 다양한 성능과 달리 꼬인 탄소 나노튜브는 화씨 -76도(섭씨 -60도)에서 212°F(100°C)의 넓은 온도 범위를 통해 에너지 저장의 일관성을 보여주었다.

이 기술은 전기화학적이라기보다는 기계적인 접근 방식이기 때문에 임플란트와 같은 장치에도 훨씬 더 안전하다. Interesting Engineering은 이전에 과학자들이 배터리 이외의 임플란트에 전력을 공급하는 대체 방법을 찾고 있다고 보고했다.

Ujjain과 그의 팀은 조만간 기술을 임플란트에 적용하려면 아직 멀었다. 이 팀은 뒤틀린 탄소 나노튜브를 에너지원으로 테스트하기 위한 프로토타입 센서를 개발하고 있다.