물

이미지 출처: 텍사스 A&M 엔지니어링

By E&T 편집진

게시일: 2023년 4월 4일 화요일

텍사스 A&M 대학의 연구원들은 수성 배터리가 코발트를 함유한 리튬 이온 배터리보다 더 안전하고 효율적인 대안을 제공할 수 있음을 보여주었습니다.

이러한 새로운 유형의 배터리는 코발트와 리튬을 수출하는 국가에 대한 미국의 의존도를 줄일 뿐만 아니라 배터리 관련 화재도 예방할 수 있습니다.

화학 공학 교수인 Jodie Lutkenhaus 박사는 "수성 기반이기 때문에 더 이상 배터리 화재가 발생하지 않을 것"이라고 말했습니다. “미래에는 재료 부족이 예상되면 리튬이온 배터리 가격이 크게 오를 것입니다.

"이 대체 배터리가 있다면 우리는 이 화학 물질로 전환할 수 있습니다. 여기서는 미국에서 제조할 수 있고 이를 만드는 데 필요한 재료가 여기에 있기 때문에 공급이 훨씬 더 안정적입니다."

수성 배터리는 양극, 전해질, 양극으로 구성됩니다. 음극과 양극은 에너지를 저장할 수 있는 고분자이고, 전해질은 유기염이 섞인 물이다.

전해질은 전극과의 상호작용을 통해 이온 전도 및 에너지 저장의 핵심이며, 연구팀의 최근 연구에 따르면 재료 선택이 중요할 수 있습니다.

Lutkenhaus는 "사이클링 중에 전극이 너무 많이 부풀어 오르면 전자를 잘 전달할 수 없으며 모든 성능을 잃게 됩니다."라고 말했습니다. "팽창 효과로 인해 전해질 선택에 따라 에너지 저장 용량이 1,000% 차이가 난다고 믿습니다."

과학자들은 새로운 배터리가 산화환원 활성, 비공액 라디칼 폴리머(전극)로 만들어질 수 있다고 말합니다. 그러나 전자, 이온, 물 분자의 동시 이동으로 인해 반응을 분석하기가 어렵습니다.

이 방법을 입증하기 위해 연구원들은 컴퓨터 시뮬레이션 및 분석을 통해 실험을 보완했습니다.

"이론과 실험은 이러한 물질을 이해하기 위해 밀접하게 협력하는 경우가 많습니다. 이 논문에서 계산적으로 수행하는 새로운 작업 중 하나는 실제로 전극을 여러 충전 상태로 충전하고 주변이 이 충전에 어떻게 반응하는지 확인하는 것입니다."라고 말했습니다. 화학 조교수 Daniel Tabor 박사.

연구원들은 배터리가 작동할 때 얼마나 많은 물과 소금이 배터리에 들어가는지 정확히 측정하여 배터리 음극이 특정 종류의 염분 존재 하에서 더 잘 작동하는지 거시적으로 관찰했습니다.

성공한다면 수성 배터리는 현재 사용되는 배터리 유형에 대한 보다 안전한 대안이 될 수 있습니다. 제안된 또 다른 옵션은 고무로 만든 배터리를 사용하는 것입니다.

"이 새로운 에너지 저장 기술을 통해 리튬이 없는 배터리를 향한 전진이 이루어졌습니다. 우리는 일부 배터리 전극이 다른 전극보다 더 잘 작동하게 만드는 요인에 대한 더 나은 분자 수준의 그림을 갖고 있으며 이는 재료가 어디로 나아갈 것인지에 대한 강력한 증거를 제공합니다. 디자인"이라고 Tabor는 덧붙였습니다.

Eunomia가 발표한 연구에 따르면 리튬 이온 배터리는 매년 영국에서 발생하는 모든 폐기물 화재의 약 48%(연간 약 700건)를 담당하며 폐기물 처리업체, 소방 서비스 및 환경에 연간 약 1억 5800만 파운드의 비용을 발생시킵니다.

조직의 비공식 보고에 따르면 연간 배터리 화재 건수는 Eunomia의 추정치보다 3배 더 높을 수 있으며 재활용 및 폐기물 관리 시설과 수거 차량에서 수백 건의 화재가 더 발생할 수 있습니다.

2022년 7월 런던의 한 고층 건물에서 대규모 화재가 발생해 소방관들은 개조된 전기자전거의 리튬 배터리와 관련된 화재 위험에 대해 긴급 경고를 발령했습니다.

수성 배터리 프로젝트는 텍사스 A&M 엔지니어링 실험 스테이션을 통해 미국 에너지부와 국립과학재단의 자금 지원을 받습니다. 실험 결과는 Nature Materials에 게재되었습니다.