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기존의 배터리를 대체할 수 있는 ....

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글쓴이 최고관리자 등록일 15-04-29 11:58
조회 468

    스탠포드 대학(Stanford University)의 연구진은 저렴하고 빠르게 충전할 수 있으며 오래 사용할 수 있는 고성능 알루미늄 배터리를 최초로 개발했다. 이번 연구진은 이 기술이 오늘날 폭넓게 사용되는 많은 상용 배터리를 대체할 수 있는 안전한 대안이라고 말했다. 

    “우리는 알칼리성 배터리와 같은 기존의 저장 장치들을 대체할 수 있는 재충전할 수 있는 알루미늄 배터리를 개발했다. 리튬 이온 배터리와 같은 기존의 저장 장치들은 환경에 악영향을 끼치고, 종종 화재를 발생시킬 수 있다”고 스탠포드 대학의 Hongjie Dai 교수가 말했다. “우리의 새로운 배터리는 구멍이 생겨도 화재가 발생하지 않는다”고 Dai 교수가 덧붙였다.   이번 연구진은 새로운 알루미늄-이온 배터리를 저널 Nature에 4월 6일자로 발표했다. 

    알루미늄은 낮은 가격, 낮은 가연성, 높은 전하 저장 용량 때문에 배터리를 위한 매력적인 재료가 되었다. 그러나 수십 년 동안에, 과학자들은 상용할 수 있는 알루미늄-이온 배터리를 개발하는데 실패했다. 핵심 과제는 충전 및 방전의 반복적인 사이클 후에 효율적인 전압을 생성할 수 있는 물질을 찾는 것이다. 

    알루미늄-이온 배터리는 다음과 같은 두 개의 전극들로 구성된다: 알루미늄으로 만들어진 음으로 대전된 양극과 양으로 대전된 음극. “사람들은 음극에 적용될 수 있는 서로 다른 종류의 재료들을 조사했다”고 Dai가 말했다. “우리는 간단한 해결책이 흑연을 사용하는 것이라는 것을 우연히 발견했다. 이번 연구에서, 우리는 매우 우수한 성능을 가진 몇 종류의 흑연 재료들을 확인했다"고 Dai 교수가 덧붙였다.

    실험용 배터리의 경우에, 이번 연구팀은 플렉서블 폴리머 코팅된 파우치(pouch) 속에 이온 액체 전해질과 알루미늄 양극과 흑연 음극을 위치시켰다. “전해질은 상온에서 액체 상태를 가진 염이기 때문에 매우 안전하다” 라고 이 연구에 참여한 Ming Gong은 말했다. 

    알루미늄 배터리는 오늘날 노트북과 휴대 전화에 주로 사용되는 리튬-이온 배터리보다 더 안전하다. “리튬-이온 배터리는 화재의 위험이 존재한다”고 그는 말했다. 예를 들어, 델타 항공사는 여객기에 대형 리튬-배터리의 탑재를 금지했다. “이 연구에서, 우리는 알루미늄 배터리 파우치를 뚫었을 때도 아무런 문제가 발생하지 않고, 계속적으로 작동한다는 것을 비디오로 확인했다”고 Dai가 말했다. “그러나 리튬 배터리는 예기치 못한 방식으로 공기, 자동차, 호주머니 속에서 폭발할 수 있다. 안정성 이외에도, 우리는 알루미늄 배터리 성능에서 중요한 돌파구를 마련했다”고 Dai 교수가 언급했다.

    한 가지 예는 초고속 충전이다. 스마트폰 소유자는 리튬-이온 배터리를 충전하는데 수 시간이 걸린다는 것을 알고 있다. 그러나 이번 연구진은 알루미늄 배터리 프로트타입의 경우에 1분 이내에 충전할 수 있다는 놀라운 결과를 제시했다. 내구성은 또 다른 중요한 인자이다. 다른 실험실에서 개발한 알루미늄 배터리는 100번의 충전-방전 주기 후에 작동을 멈춘다. 그러나 이번 연구팀의 배터리는 용량의 어떤 손실 없이 7,500 번의 주기 이상 동안을 견딜 수 있다. “이것은 초고속 알루미늄-이온 배터리가 수천 번의 주기 이상 동안에 안정성을 가진다는 것을 보여준 최초의 사례”라고 이번 연구진은 설명했다. 이와는 대조적으로, 일반적인 리튬-이온 배터리는 약 1,000 주기 동안 사용할 수 있다. 

    “알루미늄 배터리의 또 다른 특징은 유연성”이라고 Gong은 말했다. “당신은 이것을 구부리고 접을 수 있다. 그래서 이것은 플렉서블 전자장치에 유용하게 적용될 수 있다. 또한 알루미늄은 리튬보다 더 저렴한 금속”이라고 Gong은 덧붙였다.

    작은 전자장치 이외에도, 알루미늄 배터리는 전기 그리드에 재생 가능한 에너지를 저장하는데 사용될 수 있다. “그리드는 에너지를 빠르게 저장하고 방출하기 위해서 긴 수명을 가진 배터리를 필요로 한다”고 그는 설명했다. “우리의 최근 데이터는 알루미늄 배터리가 수만 번을 재충전할 수 있다는 것을 보여주었다. 이것은 그리드 저장을 위한 거대한 리튬-이온 배터리에서 상상하기도 어려웠던 상황”이라고 그는 말했다.

    알루미늄-이온 기술은 일회용 알칼리성 배터리의 친환경적인 대안이 될 수 있을 것이다. 수백만의 소비자들은 1.5 V의 AA 및 AAA 배터리를 사용한다“고 그는 말했다. ”우리의 재충전할 수 있는 알루미늄 배터리는 약 2V의 전기를 생성한다. 이것은 알루미늄으로 달성한 것보다 더 높다. 그러나 리튬-이온 배터리의 전압과 일치하기 위해서는 더 많은 향상이 필요할 것이다. 

    “우리의 배터리는 기존의 리튬 배터리의 전압보다 약 0.5배 더 높은 전압을 생성한다”고 그는 말했다. “그러나 음극 재료를 향상시키는 것은 전압과 에너지 밀도를 결국 증가시킬 수 있다. 다시 말하면, 우리의 배터리는 다음과 같은 특성을 가진다: 저렴한 전극, 우수한 안전성, 고속 충전, 유연성, 긴 수명. 이 새로운 배터리가 빠른 시간 내에 출시되기를 기대해 본다”고 그는 덧붙였다.

    그림. 약 1 분 안에 충전되는 유연한 고성능 알루미늄 배터리의 이미지. 

    KISTI 미리안 글로벌동향브리핑 2015-04-10

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