아연 공기 배터리 (ZAB)는 여러 가지 유리한 특성으로 인해 가장 유망한 차세대 배터리 기술 중 하나입니다. 특히이 배터리는 독특한 반 개방 구조, 상당한 이론적 에너지 밀도 (1,086 및 1,370 Wh kg- 1 산소를 포함하거나 제외 할 때), 유연한 전극 및 본질적으로 수성 전해질. 또한 배터리에 사용되는 다른 재료와 달리 아연 (Zn)은 환경에 덜 해롭고 더 풍부합니다.
한국 한양 대학교의 연구원들은 최근 상용화 된 다른 배터리 기술을 능가 할 수있는 새로운 유형의 아연-공기 파우치 셀을 설계했습니다. 이 파우치 셀은 자연 에너지, 음극으로 (101)-면 구리 포스 포설 페이트 [CPS (101)]를 사용하고 초 이온 전도체 전해질로 동결 방지 키토산-바이오 셀룰로오스, 양극으로 패턴 화 된 Zn을 사용합니다.
“액체 (6M KOH) 전해질을 사용하는 이전 ZAB는 산소 환원 및 진화 반응 (ORR / OER)에 대한 느린 역학과 넓은 온도에서 기생 반응을 수반하는 Zn의 비가역성으로 인해 실패했습니다.” 연구를 수행 한 연구원. “이 기능은 우리가 OH를 전달할 수있는 기능화 된 바이오 셀룰로오스와 같은 고체 전해질을 개발하도록 영감을주었습니다.- 기생 반응없이 효과적으로 이온.
Lee와 그의 동료들이 이전 연구에서 만든 FBN 기반 전해질은 64mScm의 높은 이온 전도도를 나타 냈습니다.-1 실온에서. 그러나 연구원들은 물의 동결 및 부피 팽창과 관련된 문제로 인해 영하 및 고온에서 작동하지 않는다는 것을 발견했습니다.
따라서 연구진은 새로운 논문에서 음이온 교환 고체 전해질로 키토산-박테리아-셀룰로오스 (CBC)를 사용할 것을 제안했습니다. 이러한 물질은 본질적으로 바이오 셀룰로스와 키토산으로 구성되며, 2,2,6,6- 테트라 메틸 피 페리 딘 -1- 옥실 (TEMPO) 및 1,4- 디아 자비 시클로 [2.2.2] 옥탄 (DBO) XNUMX 차 결합의 가교가 뒤 따릅니다.
“우리가 사용한 두 가지 핵심 프로세스 (TEMPO 산화 및 DBO 20 차화)는 배터리의 동결 방지 특성은 물론 팽창에 대한 저항성, 가교 호환성 및 이온 식별 특성을 크게 향상 시켰습니다. “물도 존재하고 CBC 내부로 이동하지만 그 형태는 액체 물이 아니라 분자 물입니다. 그 결과 -XNUMX ° C에서도 우수한 배터리 성능과 우수한 안정성을 얻을 수있었습니다. "
Lee와 그의 동료들이 제작 한 CBC 기반 막 전해질은 수산화 용액의 혼합물을 사용하여 이온 교환되었습니다. 따라서 기존의 알칼리 전해질보다 낮은 pH를 나타 냈습니다. 연구진이 준비한 나노 섬유 CPS (101)는 파우치 셀 응용을 위해 특별히 합성되었습니다.
“CPS (101)의 최적 화학 양 론적 비율은 C : P : S = 1 : 0.5 : 0.5이기 때문에 화학 양 론적 비율의 변화는 전지 작동 중 전기 화학적 성능에 결정적인 영향을 미치고 있습니다. "동 양이온에 동일한 배위 (동일한 양의 Cu-S 및 Cu-P 결합)로 공간적으로 공액 된 인 및 황 음이온은 후속 사이클 동안 상당히 안정적인 단거리 및 장거리 질서 구조를 보존했습니다."
연구원이 제작 한 Zn-air 파우치 셀이 작동하는 동안 FBN 멤브레인이 고체 전해질 간기 (SEI)를 형성 할 수없는 경우 CBC는 견고한 SEI 층을 생성하여 우수한 사이클 수명을 제공했습니다. 또한 CBC는 부식 및 부반응으로부터 양극 표면을 보호했습니다. 이는 수성 전해질 또는 기타 고체 전해질을 사용하는 배터리에 비해 더 긴 사이클을 촉진 할 수 있습니다.
“실온 (86.7 mS cm)에서 기록 된 우수한 전도도-1)는 현재까지보고 된 수산화 초 이온 전도체의 최고 값으로 상용 A201보다 두 배나 높다”고 말했다. “5µm 두께, 900cm2-20의 저온에서도 뛰어난 기계적 견고 함으로 간단하게 주조 할 수있는 크기의 CBC 멤브레인 oC는 건조한 분위기에서 FBN, A201 또는 polysulfone은 쉽게 작은 조각으로 분해됩니다.”
차세대 배터리에 대한 일반적인 요구 사항은> 300Wh kg의 셀 팩 수준 에너지 밀도입니다.- 1, US $ 75kWh- 1, 15 분 안에 빠른 충전 용량 (최소 80 % 충전) 및 다양한 온도에서 작동 할 수 있습니다. 이러한 요구 사항을 충족하기 위해 배터리 설계자는 일련의 한계를 극복하는 동시에 배터리가 안전하고 전기 화학적으로 / 기계적으로 안정적이며 지구에 풍부하고 재활용하기 쉬운 재료로 제작되었으며 광범위한 온도에서 잘 작동하는지 확인해야합니다. .
과거에 개발 된 ZAB는 세포 수준에서 일반적으로 <40 Wh kg의 매우 낮은 에너지 밀도를 달성했습니다. 세포-1 <1mA cm의 낮은 전류 밀도에서-2 상온에서만 작동합니다. 이러한 에너지 밀도는 차세대 배터리의 상용화에 적합하다고 판단되는 것보다 훨씬 낮습니다.
“대부분의보고 된 Zn- 공기 전지는 5-10 % 방전 깊이 (DOD)의 얕은주기를 따르기 때문에 리튬 이온 배터리에 대한 경쟁력있는 전지 에너지를 달성 할 수 없습니다. “이전 보고서는 거의 35mWh cm의 필요한 면적 에너지를 유지했지만지리적-2,주기 수명 및 DOD는 각각 100주기 미만 및 DOD 5-10 %로 제한되었습니다. 20 Wh kg의 비 에너지를 얻으려면 최소 120 % DOD가 필요합니다.세포-1그러나 이전 작업은 상용 배터리에 필요한 최소 표준을 준수하지 않았습니다.”
논문에서 Lee와 그의 동료들은 매우 높은 세포 수준의 에너지 밀도 (460Wh kg)를 나타 내기 때문에 상업적으로 실행 가능한 XNUMX 암페어 시간 (Ah)의 유연한 아연-공기 파우치 셀을 소개했습니다.세포- 1 및 1389 Wh l-1) 광범위한 온도 (-20 ~ 80 oC), 5 ~ 200mA cm의 높은 속도 용량-2 6000 % DOD의 경우 20 회 이상, 1100 % DOD의 경우 70 회 이상. 이러한 파우치 셀은 시중에서 판매되는 많은 리튬 이온 배터리 및 기타 일반적으로 사용되는 배터리보다 성능이 뛰어납니다.
“우리의 파우치 셀은 523 ± 15 Wh kg의 가장 높은 셀 수준 에너지 밀도를 보여주었습니다.세포-1 (체적 에너지 밀도 ~ 1609 ± 35 Wh l-1) 전류 밀도 350mA cm에서 70 % DOD로 25 사이클 동안-2 세포 매개 변수를 최적화함으로써”Lee가 말했습니다. “우리는 또한 체적 에너지 밀도가 ~ 1800Wh L까지 더 증가 할 수 있음을 보여주었습니다.-1 바이폴라 스태킹을 적용해 파우치 셀 용량 ~20Ah로 구현 technology (스택 수 증가). 이 값은 충전당 최대 800~900마일의 주행 거리, 100분 이내에 15% 충전 기능, 최대 1만 마일의 마일리지 내구성을 허용합니다."
추가 테스트를 거친 후 새로운 아연-공기 파우치 셀을 대규모로 생산할 수 있습니다. Lee와 그의 동료에 따르면 그들은 잠재적으로 드론, 전기 자동차 또는 전기 단거리 항공기에 전력을 공급하는 데 사용될 수 있습니다.
“우리는 이제 생산 가치를 높이기 위해 CPS (공기 음극) 및 CBC (고체 전해질)의 합성 방법을 단순화하고 있습니다. “우리 ZAB는 일반적으로 -20에서 80에서 작동하지만 oC, 우리는 또한 작동 온도 범위를 더 넓게 만들려고 시도합니다. 또한 알루미늄 공기의 잠재력을 평가하기 위해 아연 대신 알루미늄을 사용하는 것을 고려할 것입니다. 배터리. "