나노기술 및 정책 정보

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미국 오레곤 주립 대학 공과 대학(Oregon State University College of Engineering)의 연구원들은 에너지 저장 장치의 설계 및 제조 방식에 혁명을 일으킬 수 있는 새로운 나노구조 합금을 기반으로 배터리 양극을 개발함.

아연 및 망간 기반 합금은 배터리 전해질에 일반적으로 사용되는 용매를 훨씬 더 안전하고 저렴할 뿐만 아니라 풍부한 바닷물로 대체할 수 있게 함.

배터리는 화학 에너지의 형태로 전력을 저장하고 반응을 통해 이를 차량, 휴대폰, 노트북 및 기타 여러 장치 및 기계에 전력을 공급하는데 필요한 전기 에너지로 변환함. 배터리는 일반적으로 서로 다른 재료로 만들어진 양극과 음극의 두 단자와 전하의 흐름을 허용하는 화학 매체인 분리기와 전해질로 구성됨. 리튬 이온 배터리는 방전 중에 전해질을 통해 양극에서 음극으로 이동하고 충전 중에 다시 돌아올 때 리튬 이온을 통해 전하가 전달됨.

리튬 이온 배터리의 전해질은 일반적으로 가연성이며 높은 작동 전압에서 분해되는 유기 용매에 용해되기 때문에 전극-전해질 계면에서 리튬 덴드라이트(수상 돌기) 성장을 포함하여 전극 사이에 단락이 발생하는 안전 문제가 있음.

반면, 수성 배터리는 안전하고 확장 가능한 에너지 저장을 위한 유망한 대안으로, 수성 전해질은 비용 경쟁력이 있고 환경 친화적이며 빠른 충전과 높은 전력 밀도 및 내성도 높지만, 대량 사용은 제한된 출력 전압과 낮은 에너지 밀도로 인해 한계가 있었음.

연구원들은 3차원 "아연 -M 합금"으로 구성된 배터리 양극을 설계함. M은 망간 및 기타 금속을 나타냄. 특수한 나노구조를 가진 합금의 사용은 표면 반응 열역학 및 반응 역학을 제어하여 덴드라이트 형성을 억제할 뿐만 아니라 가혹한 전기 화학적 조건에서 수천 사이클에 걸쳐 매우 높은 안정성을 보여줌. 아연을 사용하면 리튬보다 두 배 더 많은 전하를 전달할 수 있으므로 배터리의 에너지 밀도도 향상됨.

연구원들은 또한 전해질로 고순도 탈 이온수 대신 해수를 사용하여 수성 배터리를 테스트하는 등 배터리의 대량 제조에 대한 상업적 잠재력을 보여줌.

본 연구는 Nature Communications ("Stable, high-performance, dendrite-free, seawater-based aqueous batteries")에 게재됨.