나노기술 및 정책 정보

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​지속 가능한 에너지 기술의 광범위한 구현을 위한 병목 현상 중 하나는 고효율 에너지 저장 시스템이며, 리튬 이온 배터리(LIB)는 가전 제품부터 의료 기기, 전기 자동차, 심지어 위성에 이르기까지 오늘날의 전자 기기에 널리 사용되는 솔루션임. 많은 응용 분야에서 LIB 기술이 우세한 주된 이유는 무게 대비 전기 저장 용량이 가장 높기 때문임.
LIB가 계속해서 더 높은 에너지 밀도를 달성하고 있지만 다양한 연구 결과에 따르면 최대 이론적 에너지 한계(400-500 Wh/kg로 추정)가 가시화되고 있고, 언젠가는 LIB를 대체하고 자동차 제조업체, 항공 우주 및 기타 산업의 크기 및 비용 제약 내에서 전력 수요를 충족할 수 있는 배터리 기술을 찾기 위해 연구원들은 리튬-공기 배터리 (LAB)를 연구하고 있음.

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산소는 공기 중에서 자유롭게 사용할 수 있고 다른 배터리 구성 요소와 함께 휴대할 필요가 없기 때문에 유리한 배터리 저장 재료임. 오늘날 사용되는 리튬-이온 배터리와 달리 리튬-공기 배터리는 전기 화학적 전력을 생산하기 위해 금속 산화물 음극이 필요하지 않고 대신 대기 중의 산소와 반응하여 전력을 생성함. 다만 리튬-공기 배터리에는 몇 가지 심각한 단점이 있는데, 주입된 에너지의 대부분을 열로 낭비하고 상대적으로 빠르게 성능이 저하되어 몇 번의 충전 주기만 지속된다는 것임.
리튬-공기 배터리의 주요 문제 중 하나는 개발된 촉매가 산소 환원 반응(ORR)과 산소 발생 반응(OER) 모두에 대해 활동이 느리거나 반응 중 하나에 대해서만 활성 상태를 유지한다는 것임(서로 다른 ORR/OER 속도). 이로 인해 방전(ORR) 및 충전(OER) 과정 중에 각각 음극에서 과산화 리튬(Li₂O₂)을 형성하고 분해하는데 필요한 높은 과전위(열역학적 값(2.96V) 이상의 과도한 에너지)가 발생할 수 있음.

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이 기술은 여러 연구 그룹에서 광범위하게 연구되어옴. 백금, 금 및 루테늄과 같은 수많은 금속 촉매와 전이 금속 산화물, 전이 금속 디칼 코게 나이드 및 탄소 기반 촉매와 같은 비금속 촉매가 이 문제를 해결하기 위해 사용되었으나 현재까지 주요 돌파구는 보이지 않았음.
일반적으로 LAB 기술을 실용화하기 위해서는 1) ORR 및 OER 역학을 향상시키기 위해 매우 활성적이고 안정적인 촉매를 사용하는 새로운 음극 개발, 2) 방전 제품에 대한 용매 기반 성장 메커니즘을 촉진할 수 있는 적절한 전해질 설계, 이 두 가지 목표가 매우 중요함.

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고 활성 촉매를 찾기 위해 일리노이 공과 대학의 연구팀은 펜실베니아 대학, 시카고 일리노이 대학 및 아르곤 국립 연구소의 연구원들과 함께 고 활성 Mo₃P 나노입자를 이용한 LAB를 개발함. 개발된 배터리는 첫 번째 사이클에서 90.2%의 높은 에너지 효율, ~ 1500Wh/kg의 에너지 밀도(최신 리튬 이온 배터리보다 약 8배 더 좋음) 및 세계 기록 값인 1200 완전 충전/방전 사이클의 긴 수명을 보여줌. 이 연구는 Mo₃P 나노입자가 독특한 구조로 인한 유망한 촉매 후보임을 보여줌.

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본 연구는 Advanced Materials("Kinetically Stable Oxide Overlayers on Mo3P Nanoparticles Enabling Lithium–Air Batteries with Low Overpotentials and Long Cycle Life")에 게재됨.

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