스탠포드 대학이 이끄는 국제 연구원 팀은 현재 상업적으로 이용 가능한 것보다 최대 XNUMX배 더 많은 전하를 저장할 수 있는 충전식 배터리를 개발했습니다.
그것은 충전식 배터리의 사용을 가속화하고 배터리 연구원들이 자신의 분야에서 언급된 두 가지 주요 목표를 달성하는 데 한 걸음 더 다가갈 수 있도록 합니다. 재충전 없이 XNUMX배 더 멀리 여행할 수 있습니다.
스탠포드 화학 교수인 Hongjie Dai와 박사 후보 Guanzhou Zhu가 이끄는 연구팀이 개발한 새로운 소위 알칼리 금속-염소 배터리는 염화나트륨(Na/Cl)의 앞뒤 화학 전환에 의존합니다.2) 또는 염화리튬(Li/Cl2) 염소.
전자가 재충전 가능한 배터리의 한 쪽에서 다른 쪽으로 이동할 때, 재충전은 화학 물질을 원래 상태로 되돌려 다른 사용을 기다립니다. 비충전식 배터리에는 그러한 운이 없습니다. 한 번 배수되면 화학적 성질을 회복할 수 없습니다.
“충전식 배터리는 흔들의자와 비슷합니다. 한 방향으로 기울어지다가 전기를 추가하면 다시 흔들립니다.”라고 Dai가 설명했습니다. "여기에 있는 것은 흔들의자입니다."
우연한 발견
아무도 고성능 충전식 염소 나트륨 또는 염소 리튬 배터리를 만들지 않은 이유는 염소가 너무 반응성이 높고 고효율로 다시 염화물로 전환하기 어렵기 때문입니다. 다른 사람들이 어느 정도의 재충전성을 달성할 수 있었던 소수의 경우 배터리 성능이 좋지 않은 것으로 판명되었습니다.
사실, Dai와 Zhu는 충전식 나트륨 및 리튬-염소 배터리를 만들려는 것이 아니라 염화 티오닐을 사용하여 기존 배터리 기술을 개선하기 위해 출발했습니다. 이 화학물질은 1970년대에 처음 발명된 일회용 배터리의 대중적인 유형인 리튬-염화 티오닐 배터리의 주성분 중 하나입니다.
그러나 염소와 염화나트륨과 관련된 초기 실험 중 하나에서 스탠포드 연구원들은 한 화학물질이 다른 화학물질로 전환되는 과정이 어느 정도 안정화되어 어느 정도 재충전이 가능하다는 사실을 알아냈습니다. 다이는 "나는 그것이 가능하다고 생각하지 않았다"고 말했다. "무슨 일이 일어나고 있는지 제대로 깨닫는 데 최소 XNUMX년이 걸렸습니다."
다음 몇 년 동안 팀은 가역적 화학을 해명하고 배터리의 양극을 위한 다양한 재료를 실험하여 더 효율적으로 만드는 방법을 모색했습니다. 공동 연구자인 대만 국립 중청 대학교의 Yuan-Yao Li 교수와 그의 제자 Hung-Chun Tai의 첨단 다공성 탄소 재료를 사용하여 전극을 형성했을 때 큰 돌파구가 생겼습니다. 탄소 물질은 많은 초미세 기공으로 채워진 나노 구 구조를 가지고 있습니다. 실제로, 이 속이 빈 구체는 스펀지처럼 작용하여 다른 접촉이 많은 염소 분자를 흡수하고 나중에 미세 기공 내부에서 염으로 전환하기 위해 저장합니다.
Zhu는 "염소 분자는 배터리가 충전될 때 탄소 나노구의 작은 구멍에 갇혀 보호되고 있다"고 설명했다. “그런 다음 배터리가 방전되거나 방전되어야 할 때 배터리를 방전하고 염소를 변환하여 NaCl(식염)을 만들고 이 과정을 여러 사이클에 걸쳐 반복할 수 있습니다. 현재 최대 200회까지 사이클링할 수 있으며 여전히 개선의 여지가 있습니다.”
그 결과는 배터리 설계의 황동 링, 즉 높은 에너지 밀도를 향한 한 걸음입니다. 연구원들은 지금까지 양극 재료 그램당 1,200밀리암페어 시간을 달성했지만 오늘날 상업용 리튬 이온 배터리의 용량은 그램당 최대 200밀리암페어 시간입니다. Zhu는 "우리의 용량은 최소 XNUMX배 더 높습니다."라고 말했습니다.
연구원들은 위성이나 원격 센서와 같이 빈번한 재충전이 실용적이지 않거나 바람직하지 않은 상황에서 배터리가 언젠가 사용될 것으로 예상합니다. 다른 방법으로는 사용할 수 있는 많은 위성이 현재 궤도에 떠 있으며 배터리가 방전되어 쓸모가 없습니다. 수명이 긴 충전식 배터리가 장착된 미래의 위성에는 태양열 충전기가 장착되어 그 유용성을 여러 번 확장할 수 있습니다.
그러나 현재로서는 그들이 개발한 작업 프로토타입이 보청기나 리모콘과 같은 소형 일상 전자 제품에 사용하기에 여전히 적합할 수 있습니다. 가전제품이나 전기 자동차, 배터리 구조를 설계하고, 에너지 밀도를 높이고, 배터리를 확장하고, 사이클 수를 늘리기 위해 훨씬 더 많은 작업이 남아 있습니다.
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