새 배터리는 고체에서 액체로, 다시 "자가 치유"로 바뀝니다. 사진 제공: Eric Detsi
기후 변화와의 싸움에서 가장 큰 도전 과제 중 하나는 에너지 저장입니다.
화석 연료는 본질적으로 에너지가 자체 화학 결합 안에 갇혀 있기 때문에 스스로를 저장합니다. 그러나 바람과 태양의 힘과 같이 지속 가능하지만 일시적인 형태의 에너지를 어떻게 저장할 수 있을까요?
재료과학 및 공학(MSE) 부교수인 에릭 데치(Eric Detsi)는 미래의 에너지 수요를 충족할 수 있을 만큼 강력한 배터리가 아직 존재하지 않는다고 경고하면서 이에 대한 해답을 제시합니다.
알람 시계와 같은 가전 제품의 일회용 알카라인 배터리에서 하이브리드 및 전기 자동차의 충전식 리튬 이온 배터리에 이르기까지 오늘날 사용되는 대부분의 배터리에서 이온이 흐르는 전극은 일반적으로 금속 산화물 또는 흑연과 같은 고체 물질로 만들어집니다. 그러나 Detsi가 지적했듯이 전극이 팽창 및 수축하고 때로는 300 %까지 팽창 및 수축하기 때문에 배터리를 충전 및 방전하는 각 사이클은 충전식 배터리조차도 점차 용량을 잃고 결국 고장나는 이유 중 하나입니다.
"고성능 배터리에 사용하기 위해 많은 양의 리튬, 나트륨 및 마그네슘을 저장할 수 있는 재료가 필요합니다"라고 Detsi는 말합니다. "문제는 배터리 재료가 저장할 수 있는 리튬, 나트륨 또는 마그네슘이 많을수록 충전 및 방전 중에 더 많이 팽창하고 수축하여 엄청난 부피 변화가 발생한다는 것입니다."
리튬 이온 배터리의 아버지 중 한 명인 2019년 노벨상 수상자인 존 굿이너프(John Goodenough)를 비롯한 일부 연구자들은 최근 부피가 변해도 끊지지 않는 액체 전극이 있는 배터리를 개발하기 시작했습니다. 그러나 액체 전극은 물 풍선처럼 작동하는 배터리를 안전하게 제조하고 사용하기가 어렵다는 다른 문제를 제시합니다. 다시 말해, 더 큰 배터리나 액체 배터리를 만드는 것만으로는 성공할 수 없으며, 미래의 배터리를 설계하기 위해 연구원들은 완전히 새로운 재료를 만들어야 합니다.
더욱이 리튬 및 코발트와 같이 대량 생산되는 충전식 배터리에 일반적으로 사용되는 많은 요소는 배터리 수요가 증가함에 따라 인권 침해에 얽힌 것은 말할 것도 없고 점점 더 비싸지고 있습니다.
"그리드 규모 저장 및 전기 자동차와 같은 새로운 에너지 저장 응용 분야를 위한 고성능 배터리의 필요성으로 인해 배터리 재료를 연구하게 되었습니다"라고 Detsi는 말합니다.
이를 위해 그의 그룹은 주로 나트륨과 마그네슘으로 만든 배터리를 연구하고 있는데, 이는 나트륨과 마그네슘이 지각에 풍부하기 때문에 저렴하고 윤리적으로 덜 문제가 됩니다. 더 중요한 것은 미국에는 나트륨과 마그네슘 자원이 풍부하다는 것입니다. 예를 들어, 미국 지질 조사국(USGS)에 따르면 나트륨을 만드는 데 필요한 전 세계 탄산나트륨(소다회) 매장량의 68.8%와 전 세계 염화나트륨(소금)의 14.5%가 미국에서 발견됩니다.
Detsi의 그룹은 이러한 금속을 사용하여 액체 상태와 고체 상태 사이를 전환하는 전극을 개발하여 충전 주기 동안 손상을 방지하면서도 제조가 용이합니다.
"재료가 고체 상태에 있을 때, 전하 저장 중에 발생하는 엄청난 부피 변화로 인해 성능이 저하되기 시작합니다"라고 Detsi는 말합니다. "그러나 물질이 고체에서 액체로 변형되면 부피 변화로 인한 열화에서 회복되어 스스로 '치유'됩니다."
처음에 Detsi는 디마그네슘 펜타갈라이드(Mg2Ga5), 마그네슘과 갈륨의 혼합물을 사용했습니다. 후자는 융점이 낮아 이러한 합금이 고체에서 액체로 쉽게 이동할 수 있습니다.
2019년 Detsi의 연구실은 MSE, 기계 공학 및 응용 역학(MEAM) 및 생명공학(BE) 분야의 Eduardo D. Glandt 총장 석좌 교수인 Vivek Shenoy의 연구실과 함께 Mg로 만든 자가 치유 양극이 Mg2Ga5로 만들어진 것을 보여주었습니다. 1,000회 이상의 충전 주기를 견딜 수 있습니다.
Detsi는 "우리가 작업하기 전에는 최첨단 마그네슘 이온 배터리 양극의 사이클 수명이 200사이클에 불과했습니다"라고 말합니다. 즉, 자가 치유 양극의 추가는 마그네슘 이온 배터리의 초기 수명을 5배로 늘렸습니다.
올해 초, Detsi의 실험실은 실온에서 녹는 갈륨-인듐 양극을 사용하여 한계를 더욱 넓혔으며, 잠재적으로 상업적 응용 프로그램의 문을 열었습니다. 실험용 양극은 91%의 배터리 용량을 유지하면서 2,000번의 충전 주기를 견뎌냈습니다. "이것은 전례가 없는 일입니다"라고 Detsi는 말합니다. iPhone 15는 80%의 배터리 용량을 유지하면서 1,000번의 충전 주기를 유지할 수 있습니다.
거의 10년 전, Detsi와 그의 그룹이 자가 치유 나트륨 및 마그네슘 이온 배터리의 개념을 탐구하기 시작했을 때 그의 아이디어를 진지하게 받아들이는 사람은 거의 없었습니다.
"나트륨 이온 배터리에 대한 우리의 제안 중 하나를 검토한 사람이 나트륨 이온 배터리가 그렇게 훌륭하다면 왜 상용화되지 않는지 물었던 것을 기억합니다. 당시에는 나트륨 이온 배터리를 개발하는 스타트업 회사가 하나뿐이었습니다. 지금은 세계 전역에 많이 있습니다."
이상의 기사는 2024년 9월 25일 TechXplore에 게재된 “Battery innovation: Extending lifespan and capacity through self-healing materials”제목의 기사 내용을 편집하여 작성하였습니다.
* 원문정보 출처 : Battery innovation: Extending lifespan and capacity through self-healing materials (techxplore.com)
저작권자 ⓒ 창조아고라, 무단 전재 및 재배포 금지